DE69709169T2 - PRODUCTION OF VINYL ACETATE - Google Patents
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Description
Die Regierung der Vereinigten Staaten von Amerika besitzt Rechte an dieser Erfindung gemäß dem durch das US Department of Energy (US-Energieministerium) zugesprochenen Kooperationsübereinkommen Nr. DE-FC22-95PC93052.The Government of the United States of America owns rights in this invention under Cooperation Agreement No. DE-FC22-95PC93052 awarded by the US Department of Energy.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Vinylacetat durch Kontaktieren einer Mischung von Wasserstoff und Keten mit einem Übergangsmetall enthaltenden heterogenen Katalysator, um Acetaldehyd herzustellen, das danach mit Keten in Gegenwart eines Säurekatalysators zur Herstellung von Vinylacetat umgesetzt wird. Das in der vorliegenden Erfindung eingesetzte Acetaldehyd wird durch das in der US-Anmeldung Serien-Nr. 08/619 385, eingereicht am 21. März 1996, dargelegte und beanspruchte Verfahren hergestellt, dessen Inhalt durch den Bezug hierin eingeschlossen ist.The invention relates to a process for producing vinyl acetate by contacting a mixture of hydrogen and ketene with a transition metal-containing heterogeneous catalyst to produce acetaldehyde, which is then reacted with ketene in the presence of an acid catalyst to produce vinyl acetate. The acetaldehyde used in the present invention is produced by the process set forth and claimed in U.S. Application Serial No. 08/619,385, filed March 21, 1996, the contents of which are incorporated herein by reference.
Vinylacetat ist eine wichtige industrielle Chemikalie. Der größte Teil des industriell verwendeten Vinylacetats wird zu Poly(vinylacetat) polymerisiert. Dieses wichtige Polymer und seine Derivate finden als Haftmittel, Anstriche und andere Überzüge, Filme bzw. Folien und Laminierungsmaterialien umfangreiche Anwendung.Vinyl acetate is an important industrial chemical. Most of the vinyl acetate used in industry is polymerized to poly(vinyl acetate). This important polymer and its derivatives are widely used as adhesives, paints and other coatings, films and laminating materials.
Vinylacetat wurde kommerziell durch Umsetzen von Acetylen mit Essigsäure bei 180- 210ºC in einem Dampfphasenverfahren hergestellt. Obwohl die Ausbeuten auf Basis von Acetylen und Essigsäure typischerweise 90% für beide Reaktanten übersteigen, machen die hohen Kosten von Acetylen, sowie die mit dessen Gebrauch verbundenen Sicherheits- und Handhabungsprobleme dieses Verfahren unvorteilhaft im Vergleich mit Verfahren auf Ethylenbasis.Vinyl acetate has been produced commercially by reacting acetylene with acetic acid at 180-210ºC in a vapor phase process. Although yields based on acetylene and acetic acid typically exceed 90% for both reactants, the high cost of acetylene, as well as the safety and handling problems associated with its use, make this process disadvantageous when compared to ethylene-based processes.
Ein Beispiel für ein Vinylacetat-Verfahren auf Ethylenbasis verwendet Acetaldehyd und Essigsäureanhydrid als Ausangsmaterialien. Ethylen wird zur Herstellung von Acetaldehyd durch das Wacker-Oxidationsverfahren verwendet, und das resultierende Acetaldehyd wird mit dem Essigsäureanhydrid in Gegenwart eines Säurekatalysators zur Herstellung von Ethylidendiacetat (EDA) umgesetzt. Das EDA wird danach in Gegenwart eines Säurekatalysators umgesetzt, um Vinylacetat, Essigsäure, Essigsäureanhydrid und Acetaldehyd herzustellen. Diese EDA-Krackreaktion ist aus mindestens zwei Gründen unvorteilhaft: 1) das Nebenprodukt Essigsäure wird gebildet, welches dann zu Essigsäureanyhdrid zurück umgewandelt werden muß oder auf andere Weise verwendet oder entsorgt werden muß, und 2) es bestehen unvorteilhafte Gleichgewichte unter EDA, den gewünschten Produkten (Vinylacetat und Essigsäure) und den unerwünschten ursprünglichen Ausgangsmaterialien (Acetaldehyd und Essigsäureanhydrid). Somit muß die EDA-Crackreaktion in Gegenwart eines hohen Überschusses von Essigsäureanhydrid durchgeführt werden, um die Menge von erzeugtem Vinylacetat und Essigsäure im Verhältnis zu Acetaldehyd zu erhöhen. Jedoch, selbst wenn überschüssiges Essigsäureanhydrid dem EDA-Krackreaktor hinzugegeben wird, enthält das aus dem Reaktor destillierte Produkt immer noch hohe Mengen an Acetaldehyd, Essigsäureanhydrid und Essigsäure neben dem gewünschten Vinylacetat. Daher erfordert dieses Verfahren mehrere Destillationen und ein umfassendes Recycling. Aufgrund dieser Probleme, in Verbindung mit den mit dem Wacker-Verfahren verbundenen Korrosions- und Sicherheits- sowie Handhabungsproblemen ist es wirtschaftlicher, Vinylacetat durch die direkte Umsetzung von Ethylen, Essigsäure und Sauerstoff herzustellen.An example of an ethylene-based vinyl acetate process uses acetaldehyde and acetic anhydride as starting materials. Ethylene is used to produce acetaldehyde by the Wacker oxidation process, and the resulting acetaldehyde is with the acetic anhydride in the presence of an acid catalyst to produce ethylidene diacetate (EDA). The EDA is then reacted in the presence of an acid catalyst to produce vinyl acetate, acetic acid, acetic anhydride, and acetaldehyde. This EDA cracking reaction is undesirable for at least two reasons: 1) the byproduct acetic acid is formed, which must then be converted back to acetic anhydride or otherwise used or disposed of, and 2) unfavorable equilibria exist among EDA, the desired products (vinyl acetate and acetic acid), and the undesirable original starting materials (acetaldehyde and acetic anhydride). Thus, the EDA cracking reaction must be carried out in the presence of a large excess of acetic anhydride to increase the amount of vinyl acetate and acetic acid produced relative to acetaldehyde. However, even if excess acetic anhydride is added to the EDA cracking reactor, the product distilled from the reactor still contains high levels of acetaldehyde, acetic anhydride and acetic acid in addition to the desired vinyl acetate. Therefore, this process requires multiple distillations and extensive recycling. Because of these problems, coupled with the corrosion and safety and handling problems associated with the Wacker process, it is more economical to produce vinyl acetate by the direct reaction of ethylene, acetic acid and oxygen.
Gegenwärtig ist die bevorzugte Route zu Vinylacetat die direkte Umsetzung von Ethylen, Essigsäure und Sauerstoff unter Bildung von Vinylacetat, Wasser und Nebenprodukten. Die bevorzugte Version dieses Verfahrens verwendet einen heterogenen Katalysator und wird in einer Dampfphase bei 5-10 bar (500-1000 kPa) bei 150-200ºC durchgeführt. Wegen der Explosionsrisiken in Verbindung mit dieser Reaktion muss die Reaktion mit weniger als einer stöchiometrischen Menge an Sauerstoff durchgeführt werden; damit betragen die Umwandlungen von Ethylen, Essigsäure und Sauerstoff typischerweise 10-15%, 15-30% bzw. 60 -90%. Ungefähr 5-10% des Ethylens werden zu Kohlendioxid umgewandelt und ungefähr 1% wird zu Acetaldehyd umgewandelt. Die geringen Ethylen- und Essigsäure-Umwandlungen pro Durchgang erfordern ein umfassendes Recycling zusammen mit einem Kohlendioxid-Entfernungssystem. Obwohl die Kapitalkosten einer Vinylacetat-Anlage auf Ethylen- Essigsäure-Sauerstoff-Basis hoch sind, werden diese Kapitalkosten durch die allgemein niedrigen Kosten von Ethylen und Essigsäure ausgeglichen. Daher besteht ein Bedarf an einem Verfahren zur Herstellung von Vinylacetat mit höheren Umwandlungen pro Durchgang und einem geringeren Ausbeuteverlust zu Kohlendioxid als die Route auf Ethylen-Essigsäure- Sauerstoff-Basis. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung, im Gegensatz zu der Ethylen- Essigsäure-Sauerstoff-Basis-Route, erzeugt in der Tat Vinylacetat bei hohen Umwandlungen pro Durchgang und erzeugt keine signifikanten Mengen an Kohlendioxid.Currently, the preferred route to vinyl acetate is the direct reaction of ethylene, acetic acid and oxygen to form vinyl acetate, water and by-products. The preferred version of this process uses a heterogeneous catalyst and is carried out in a vapor phase at 5-10 bar (500-1000 kPa) at 150-200ºC. Because of the explosion risks associated with this reaction, the reaction must be carried out with less than a stoichiometric amount of oxygen; thus, the conversions of ethylene, acetic acid and oxygen are typically 10-15%, 15-30% and 60-90% respectively. Approximately 5-10% of the ethylene is converted to carbon dioxide and approximately 1% is converted to acetaldehyde. The low ethylene and acetic acid conversions per pass require extensive recycling along with a carbon dioxide removal system. Although the capital cost of an ethylene-acetic acid-oxygen based vinyl acetate plant is high, this capital cost is offset by the generally low cost of ethylene and acetic acid. Therefore, there is a need for a process for producing vinyl acetate with higher conversions per pass and a lower yield loss to carbon dioxide than the ethylene-acetic acid-oxygen route. Oxygen-based. The process of the present invention, in contrast to the ethylene-acetic acid-oxygen-based route, actually produces vinyl acetate at high conversions per pass and does not produce significant amounts of carbon dioxide.
Andere Versuche der Herstellung von Vinylacetat wurden ebenfalls unternommen. Zum Beispiel versuchen eine Reihe dieser Verfahren, Vinylacetat aus Mischungen von Kohlenmonoxid und Wasserstoff (Synthesegas) herzustellen aufgrund der sehr niedrigen Kosten der Rohmaterialien. Als erste Schritte wandeln diese Systeme Synthesegas zu Methanol oder Dimethylether um. Außerdem wurden zahlreiche Kombinationen ausprobiert, bei welchen Methylacetat (hergestellt aus Methanol und rückeführter Essigsäure) oder Dimethylether carbonyliert werden unter Bildung von Essigsäureanhydrid. In einigen Schemata wird Essigsäureanhydrid teilweise hydriert unter Bildung von EDA und Essigsäure. In noch anderen Systemen wird das Methylacetat oder der Dimethylether in Gegenwart von Wasserstoff carbonyliert unter Bildung von EDA und Essigsäure in einem Schritt. Variationen dieser Vorgehensweise schließen das Umsetzen von Methanol oder Methylacetat mit Wasserstoff und Kohlenmonoxid unter Bildung von Acetaldehyd und Wasser bzw. Acetaldehyd und Essigsäure ein; allerdings ist die Selektivität zu Acetaldehyd bei diesen Reaktionen schlecht. Das resultierende Acetaldehyd wird anschließend mit dem Essigsäureanhydrid unter Bildung von EDA umgesetzt.Other attempts to produce vinyl acetate have also been made. For example, a number of these processes attempt to produce vinyl acetate from mixtures of carbon monoxide and hydrogen (syngas) due to the very low cost of the raw materials. As a first step, these systems convert syngas to methanol or dimethyl ether. In addition, numerous combinations have been tried in which methyl acetate (produced from methanol and recycled acetic acid) or dimethyl ether is carbonylated to form acetic anhydride. In some schemes, acetic anhydride is partially hydrogenated to form EDA and acetic acid. In still other systems, the methyl acetate or dimethyl ether is carbonylated in the presence of hydrogen to form EDA and acetic acid in one step. Variations on this approach include reacting methanol or methyl acetate with hydrogen and carbon monoxide to form acetaldehyde and water or acetaldehyde and acetic acid; however, the selectivity to acetaldehyde in these reactions is poor. The resulting acetaldehyde is then reacted with acetic anhydride to form EDA.
Keine dieser ganz auf Synthesegas basierenden Routen ist wirtschaftlich mit dem derzeitigen kommerziellen Verfahren auf Ethylen-, Essigsäure- und Sauerstoffbasis konkurrenzfähig. Da die Herstellung von Vinylacetat durch ein Verfahren auf Synthesegas-Basis letztendlich die Krackreaktion von EDA beinhaltet, wird das Verfahren durch die meisten derselben betriebsbedingten Schwierigkeiten des obenstehend genannten EDA-Verfahrens auf Basis von Ethylen-abgeleitetem Acetalydehyd und Essigsäureanhydrid erschwert. Weiterhin verlangen die meisten ganz auf Synthesegas basierenden Routen, dass zwei Mol Essigsäure recycelt werden oder auf andere Weise verwendet werden. Die Methanol-Hydrocarbonylierungsroute ist theoretisch in gewisser Weise von Vorteil, indem das einzige Beiprodukt, Essigsäure, in dem EDA-Krackschritt gebildet wird; doch wird dieser Vorteil durch die schlechte Selektivität zu Acetaldehyd aufgewogen was für diese Reaktionen charakteristisch ist.None of these all-syngas routes are economically competitive with the current commercial ethylene, acetic acid and oxygen-based process. Since the production of vinyl acetate by a syngas-based process ultimately involves the cracking reaction of EDA, the process is hampered by many of the same operational difficulties of the above-mentioned EDA process based on ethylene-derived acetaldehyde and acetic anhydride. Furthermore, most all-syngas routes require that two moles of acetic acid be recycled or used in another way. The methanol hydrocarbonylation route is theoretically somewhat advantageous in that the only byproduct, acetic acid, is formed in the EDA cracking step; however, this advantage is offset by the poor selectivity to acetaldehyde that characterizes these reactions.
Wie obenstehend erwähnt, basierten ganz auf Synthesegas basierende Verfahren auf durch EDA-Kracken als Beiprodukt gebildeter Essigsäure, welche recycelt werden muss oder auf eine andere Weise verwendet oder entsorgt werden muss. Daher besteht Bedarf an einem Verfahren zur Herstellung von Vinylacetat, welches nicht das Merkmal des Recyclings an großen Mengen von Essigsäure besitzt, welches für die Verfahren auf Basis des EDA-Krackens charakteristisch ist. Da das Verfahren der vorliegenden Erfindung Vinylacetat direkt aus Acetaldehyd und Keten erzeugt ohne eine gleichzeitig erfolgende signifikante Bildung von Essigsäure, hat das Verfahren der Erfindung kein signifikantes Essigsäure-Recyclingproblem und erfordert keinen Essigsäureanhydrid-Herstellungsschritt im großen Maßstab.As mentioned above, fully syngas-based processes were based on acetic acid formed as a by-product by EDA cracking, which must be recycled or used in another way or disposed of. Therefore, there is a need for a process for producing vinyl acetate which does not have the feature of recycling large amounts of acetic acid which is characteristic of EDA cracking based processes. Since the process of the present invention produces vinyl acetate directly from acetaldehyde and ketene without a concurrent significant formation of acetic acid, the process of the invention does not have a significant acetic acid recycling problem and does not require a large scale acetic anhydride production step.
Das Verfahren der Erfindung wurde zuvor nicht beschrieben. Im Gegensatz zu der vorliegenden Erfindung verwenden die meisten der vorhergehenden Verfahren, die Acetaldehyd als Ausgangsmaterial verwenden, auch Essigsäureanhydrid als Ausgangsmaterial, um EDA zu erzeugen, welches anschließend zu Essigsäure und Vinylacetat gekrackt wird. Das US-Patent Nr. 2 425 389 lehrt, dass die bevorzugten Katalysatoren für das Kracken von EDA zu Essigsäure und Vinylacetat aromatische Kohlenwasserstoffsulfonsäuren sind und dass die Krackreaktion in Gegenwart eines mindestens dreifachen molaren Überschusses an Essigsäureanhydrid gegenüber EDA durchgeführt werden sollte, um das Gleichgewicht zu Essigsäure und Vinylacetat zu steuern. Das Verfahren des US-Patents Nr. 2 425 389 lehrt auch, dass Essigsäureanhydrid kontinuierlich der Mischung zugesetzt werden muss, um jenes, welches erschöpft ist, zu ersetzen.The process of the invention has not been described previously. Unlike the present invention, most of the previous processes using acetaldehyde as a feedstock also use acetic anhydride as a feedstock to produce EDA, which is subsequently cracked to acetic acid and vinyl acetate. U.S. Patent No. 2,425,389 teaches that the preferred catalysts for cracking EDA to acetic acid and vinyl acetate are aromatic hydrocarbon sulfonic acids and that the cracking reaction should be carried out in the presence of at least a three-fold molar excess of acetic anhydride over EDA to control the balance to acetic acid and vinyl acetate. The process of U.S. Patent No. 2,425,389 also teaches that acetic anhydride must be continuously added to the mixture to replace that which is depleted.
In Hydrocarbon Processing 44 (11), 278 (1965), lehrt das zur kontinuierlichen Herstellung von Vinylacetat aus Acetaldehyd und Essigsäureanhydrid beschriebene Verfahren, dass Acetaldehyd und Essigsäureanhydrid zusammen in einem Reaktor unter Bildung von EDA umgesetzt werden; das EDA wird anschließend in einem eigenen Reaktorturm zur Bildung von Vinylacetat und Essigsäure gekrackt, welche als Kopfprodukt zusammen mit Acetaldehyd entnommen werden. Eine Reihe von Destillationen wird durchgeführt, um Vinylacetat, Essigsäure und Acetaldehyd abzutrennen und zu gewinnen. Das Acetaldehyd wird anschließend in den EDA-Reaktor rückgeführt. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung erfordert demgegenüber nicht die kontinuierliche Einführung von Essigsäureanhydrid und erzeugt im Höchstfall nur Spurenmengen von Essigsäure bei Durchführung unter den bevorzugten Bedingungen.In Hydrocarbon Processing 44 (11), 278 (1965), the process described for the continuous production of vinyl acetate from acetaldehyde and acetic anhydride teaches that acetaldehyde and acetic anhydride are reacted together in a reactor to form EDA; the EDA is then cracked in a separate reactor tower to form vinyl acetate and acetic acid, which are removed as overhead product together with acetaldehyde. A series of distillations is carried out to separate and recover vinyl acetate, acetic acid and acetaldehyde. The acetaldehyde is then recycled to the EDA reactor. The process of the present invention, in contrast, does not require the continuous introduction of acetic anhydride and produces at most only trace amounts of acetic acid when carried out under the preferred conditions.
Brady lehrt in The Chemistry of Ketenes, Allenes and Related Compounds, Teil 1, S. Patai (Herausgeber), John Wiley und Söhne, New York, 292 (1980), dass Ketene und Aldehyde in Gegenwart von Lewis-Säuren unter Bildung von Beta-Lactonen reagieren. Daher lehrt die japanische Patentanmeldung Nr. 47-25065, dass Keten und Acetaldehyd bei 5-15ºC in Gegenwart des Lewis-Säure-Bortrifluorids reagieren unter Bildung von Beta-Butyrolacton, und vergleicht die Aktivität dieses Katalysators mit jenen anderer Lewis-Säuren, wie Zinkchlorid und Eisentetrafluorborat. Die japanischen Patentanmeldungen Nr. 49-131718 und 49-134954 lehren, dass Silica-Aluminiumoxid-Katalysatoren (die sowohl Lewis- als auch Bronsted- Acidität besitzen) ebenfalls aktive Katalysatoren für die Umwandlung von Keten und Acetaldehyd zu Beta-Butyrolacton bei 10-15ºC sind. Somit weicht der Stand der Technik von den Lehren der Erfindung ab, weil für den Fall, wo Keten und Acetaldehyd in Gegenwart von Lewis-Säuren oder der festen Säure Silica-Aluminiumoxid umgesetzt werden, welches sowohl Lewis- als auch Bronsted-Säure-Charakter besitzt, das Resultat Betabutyrolacton ist.Brady teaches in The Chemistry of Ketenes, Allenes and Related Compounds, Part 1, S. Patai (editor), John Wiley and Sons, New York, 292 (1980), that ketenes and aldehydes in presence of Lewis acids to form beta-lactones. Thus, Japanese Patent Application No. 47-25065 teaches that ketene and acetaldehyde react at 5-15°C in the presence of the Lewis acid boron trifluoride to form beta-butyrolactone, and compares the activity of this catalyst with those of other Lewis acids such as zinc chloride and iron tetrafluoroborate. Japanese Patent Application Nos. 49-131718 and 49-134954 teach that silica-alumina catalysts (which possess both Lewis and Bronsted acidity) are also active catalysts for the conversion of ketene and acetaldehyde to beta-butyrolactone at 10-15°C. Thus, the prior art deviates from the teachings of the invention because when ketene and acetaldehyde are reacted in the presence of Lewis acids or the solid acid silica-alumina, which has both Lewis and Bronsted acid character, the result is betabutyrolactone.
Es ist allgemein bekannt, dass Ketene mit enolisierbaren Ketonen in Gegenwart von Bronsted-Säuren reagieren können unter Bildung von enolischen Estern bei 50-100ºC wie zum Beispiel in dem US-Patent Nr. 2 487 849 beschrieben. Weiterhin gibt die japanische Patentanmeldung Nr. 48-75510 an, dass die Effizienz der Reaktion von Keten mit enolisierbaren Carbonylverbindungen unter Anwendung des darin beschriebenen Katalysatorsystems mit der Einfachheit der Enolisierung der Carbonylverbindung in Zusammenhang steht. Insbesondere reagiert - in Gegenwart des Katalysatorsystems auf Bronsted-Säurebasis der japanischen Patentanmeldung Nr. 48-75510 - Ethylacetoacetat mit Keten leichter als Aceton unter Bildung der entsprechenden Enolester. Ferner lehrt March in Advanced Organic Chemistry, 4. Ausg., John Wiley and Sons, New York, 585 (1992), dass die Rate der Säure-katalysierten Enolisierung proportional zu der Konzentration des vorliegenden protonierten Carbonyls ist. In derselben Referenzschrift weist March auf Seite 250 nach, dass es in etwa 1000-mal schwieriger ist, ein aliphatisches Aldehyd zu protonieren als ein aliphatisches Keton mit einer Aren- Sulfonsäure zu protonieren. Daher lehrt der Stand der Technik, dass es sehr schwierig sein dürfte, einen Enolester aus aliphatischem Aldehyd herzustellen.It is well known that ketenes can react with enolizable ketones in the presence of Bronsted acids to form enolic esters at 50-100°C as described, for example, in U.S. Patent No. 2,487,849. Furthermore, Japanese Patent Application No. 48-75510 states that the efficiency of the reaction of ketene with enolizable carbonyl compounds using the catalyst system described therein is related to the ease of enolization of the carbonyl compound. In particular, in the presence of the Bronsted acid-based catalyst system of Japanese Patent Application No. 48-75510, ethyl acetoacetate reacts with ketene more readily than acetone to form the corresponding enol esters. Furthermore, March teaches in Advanced Organic Chemistry, 4th ed., John Wiley and Sons, New York, 585 (1992) that the rate of acid-catalyzed enolization is proportional to the concentration of protonated carbonyl present. In the same reference, March demonstrates on page 250 that it is approximately 1000 times more difficult to protonate an aliphatic aldehyde than to protonate an aliphatic ketone with an arene sulfonic acid. Therefore, the prior art teaches that it should be very difficult to prepare an enol ester from an aliphatic aldehyde.
Das US-Patent Nr. 2 422 679 beschreibt die Reaktion von Ketenen mit Aldehyden zur Bildung ungesättigter Carbonsäureester in Gegenwart eines starken Bronsted-Säure-Katalysators in einem Temperaturbereich von 0 bis 80ºC. Das US-Patent Nr. 2 422 679 weist nachdrücklich darauf hin, dass starke Säurekatalysatoren, wie Schwefelsäure, gegenüber schwächeren Säuren, wie p-Toluolsulfonsäure, bevorzugt sind, was mit den Lehren des US-Patents Nr. 2 487 849, der japanischen Patentanmeldung Nr. 48-75510 und denjenigen von March weiter oben in Übereinstimmung steht. Selbst wenn Schwefelsäure als Katalysator verwendet wird, ist die Effizienz des Verfahrens des US-Patents Nr. 2 422 679 gering; und wenn etwa 5,4 Mol Acetaldehyd mit 2 Mol Keten umgesetzt werden (durch die Acetaldehyd-Schwefelsäure- Mischung bei 15ºC hindurchperlen gelassen), werden lediglich etwa 21% des Ketens zu Vinylacetat umgewandelt, nachdem die Mischung destilliert wurde. (Beachten Sie, dass die in Beispiel 1 angegebenen Zahlen dieses Patents mehr mit der Keten-Umwandlung zu Vinylacetat von etwa 21% konsistent sind als mit einer Acetaldehyd-Umwandlung von 21%; die Umwandlung von Acetaldehyd zu Vinylacetat berechnet sich auf etwa 8%, bezogen auf die Zahlen von Beispiel 1.) Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist eine eindeutige Verbesserung gegenüber dem Verfahren des US-Patents Nr. 2 422 679, da höhere Ausbeuten, bezogen sowohl auf Keten als auch auf Acetaldehyd, in der vorliegenden Erfindung durch die Anwendung höherer Temperaturen und von schwächeren Katalysatoren unter kontinuierlichen Bedingungen eher erhalten werden als bei den niedrigeren Temperaturen und stärkeren Katalysatoren unter Batch- oder Semi-Batch-Bedingungen in dem US-Patent Nr. 2 422 679.U.S. Patent No. 2,422,679 describes the reaction of ketenes with aldehydes to form unsaturated carboxylic acid esters in the presence of a strong Bronsted acid catalyst in a temperature range of 0 to 80°C. U.S. Patent No. 2,422,679 strongly suggests that strong acid catalysts such as sulfuric acid are preferred over weaker acids such as p-toluenesulfonic acid, which is consistent with the teachings of U.S. Patent No. 2,487,849, Japanese Patent Application No. 48-75510 and those of March above. Even when sulfuric acid is used as a catalyst, the efficiency of the process of U.S. Patent No. 2,422,679 is low; and when about 5.4 moles of acetaldehyde are reacted with 2 moles of ketene (bubbled through the acetaldehyde-sulfuric acid mixture at 15°C), only about 21% of the ketene is converted to vinyl acetate after the mixture is distilled. (Note that the figures given in Example 1 of this patent are more consistent with ketene conversion to vinyl acetate of about 21% than with acetaldehyde conversion of 21%; the conversion of acetaldehyde to vinyl acetate is calculated to be about 8% based on the figures of Example 1.) The process of the present invention is a clear improvement over the process of U.S. Patent No. 2,422,679, since higher yields of both ketene and acetaldehyde are obtained in the present invention by using higher temperatures and weaker catalysts under continuous conditions rather than the lower temperatures and stronger catalysts under batch or semi-batch conditions in U.S. Patent No. 2,422,679.
Die europäische Patentanmeldung 0 348 309 Al beschreibt ein Verfahren zur Umwandlung von EDA in Vinylacetat in Gegenwart eines Ketenstroms und eines Säurekatalysators (vorzugsweise Schwefelsäure). Das Keten in dem Verfahren reagiert mit aus dem EDA-Kracken gebildeter Essigsäure, wodurch Essigsäureanhydrid erzeugt wird; während sich der Essigsäureanhydrid-Spiegel aufbaut, ist eine bescheidene Zunahme der Menge an erzeugtem Vinylacetat festzustellen im Vergleich mit der bei Fehlen von Keten erzeugten Menge. Allerdings wird bei dem Verfahren der europäischen Patentanmeldung 0 348 309 A1 ein Großteil des Ketens vergeudet, und die Bildung von Vinylacetat nimmt in dem Maße ab, wie EDA sich erschöpft. Weiterhin muß das in dem Verfahren der europäischen Patentanmeldung 0 348 309 A1 verwendete EDA in einem eigenen Schritt hergestellt werden, bevor die Reaktion vonstatten gehen kann. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist viel effizienter als dasjenige der europäischen Patentanmeldung 0 348 309 A1, da ein eigener EDA-Herstellungsschritt nicht erforderlich ist; in der vorliegenden Erfindung werden Keten und Acetaldehyd in einen Reaktor zusammen eingespeist, und der Keteneinsatz ist viel höher.European Patent Application 0 348 309 A1 describes a process for converting EDA to vinyl acetate in the presence of a ketene stream and an acid catalyst (preferably sulfuric acid). The ketene in the process reacts with acetic acid formed from EDA cracking to produce acetic anhydride; as the acetic anhydride level builds up, there is a modest increase in the amount of vinyl acetate produced compared to that produced in the absence of ketene. However, in the process of European Patent Application 0 348 309 A1, much of the ketene is wasted and the formation of vinyl acetate decreases as EDA is depleted. Furthermore, the EDA used in the process of European Patent Application 0 348 309 A1 must be prepared in a separate step before the reaction can proceed. The process of the present invention is much more efficient than that of European Patent Application 0 348 309 A1, since a separate EDA preparation step is not required; in the present invention, ketene and acetaldehyde are fed into a reactor together and the ketene input is much higher.
Die vorliegende Erfindung sieht eine effizientere und wirtschaftlichere Route zur Herstellung von Vinylacetat als vorausgehende Verfahren vor. Wie obenstehend erwähnt, umgeht die vorliegende Erfindung zahlreiche der Nachteile des Stands der Technik. Zum Beispiel liefert das erfindungsgemäße Verfahren keine signifikanten Mengen an Kohlendioxid und ergibt höhere Umwandlungen pro Durchgang als die Verfahren auf Ethylen-Basis. Zudem vermeidet die vorliegende Erfindung die hohe Beiproduktbildung an Essigsäure, welche die Verfahren auf Synthesegas-Basis erschwert. Außerdem erfordert das Verfahren nicht die kontinuierliche Einführung von Essigsäureanhydrid. Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind sowohl weiter oben dargelegt als auch anhand der untenstehend dargelegten Beispiele offensichtlich.The present invention provides a more efficient and economical route for producing vinyl acetate than previous processes. As mentioned above, the present invention obviates many of the disadvantages of the prior art. For example, the The process of the present invention does not use significant amounts of carbon dioxide and gives higher conversions per pass than the ethylene-based processes. In addition, the present invention avoids the high byproduct formation of acetic acid which complicates the synthesis gas-based processes. In addition, the process does not require the continuous introduction of acetic anhydride. Further advantages of the present invention are both set out above and apparent from the examples set out below.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Vinylacetat, welches die Schritte des Kontaktierens einer Mischung von Wasserstoff und Keten mit einem Übergangsmetall-Hydrierungskatalysator zur Bildung von Acetaldehyd sowie das anschließende Kontaktieren einer Mischung des resultierenden Acetaldehyds und Ketens mit einem Säurekatalysator zur Bildung von Vinylacetat umfasst. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein kontinuierliches Verfahren zur Herstellung von Vinylacetat, welches die Schritte des kontinuierlichen Einspeisens eines Keten und Wasserstoff umfassenden Gases und wahlweise eines nicht-reaktiven Verdünnungsgases in eine erste Kontaktzone, die einen Übergangsmetall umfassenden Hydrierungskatalysator enthält; des kontinuierlichen Entnehmens von Acetaldehyd aus der ersten Kontaktzone; des kontinuierlichen Einspeisen eines Keten und das Acetaldehyd umfassenden Gases aus der ersten Kontaktzone und wahlweise eines nicht- reaktiven Verdünnungsgases in eine zweite Kontaktzone, die einen Säurekatalysator und wahlweise ein Lösungsmittel enthält; und des kontinuierlichen Gewinnens eines Vinylacetat umfassenden Produkts aus der zweiten Kontaktzone umfasst. Unser neues Verfahren zur Herstellung von Vinylacetat besitzt zahlreiche Vorteile gegenüber den Verfahren des Stands der Technik, wie obenstehend dargelegt, einschließlich der effizienteren Herstellung von Vinylacetat und verbesserter Ausbeuten.The present invention relates to a process for producing vinyl acetate comprising the steps of contacting a mixture of hydrogen and ketene with a transition metal hydrogenation catalyst to form acetaldehyde and then contacting a mixture of the resulting acetaldehyde and ketene with an acid catalyst to form vinyl acetate. More particularly, the present invention relates to a continuous process for producing vinyl acetate comprising the steps of continuously feeding a gas comprising ketene and hydrogen and optionally a non-reactive diluent gas into a first contact zone containing a transition metal hydrogenation catalyst; continuously removing acetaldehyde from the first contact zone; continuously feeding a gas comprising ketene and the acetaldehyde from the first contact zone and optionally a non-reactive diluent gas into a second contact zone containing an acid catalyst and optionally a solvent; and continuously recovering a product comprising vinyl acetate from the second contact zone. Our new process for producing vinyl acetate has numerous advantages over the prior art processes as set forth above, including more efficient production of vinyl acetate and improved yields.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines effizienten Verfahrens zur Bildung von Vinylacetat. In der vorliegenden Erfindung werden Wasserstoff und Keten in Gegenwart eines Hydrierungskatalysators zur Bildung von Acetaldehyd umgesetzt. Das resultierende Acetaldehyd wird weiter mit Keten in Gegenwart eines Säurekatalysators zur Bildung von Vinylacetat umgesetzt.The aim of the present invention is to provide an efficient process for forming vinyl acetate. In the present invention, hydrogen and ketene are reacted in the presence of a hydrogenation catalyst to form acetaldehyde. The resulting acetaldehyde is further reacted with ketene in the presence of an acid catalyst to form vinyl acetate.
Das Verfahren der Erfindung kann in zwei getrennten Kontaktzonen durchgeführt werden oder es kann in einer einzigen Kontaktzone durchgeführt werden. Wenn zwei getrennte Kontaktzonen verwendet werden, wird eine erste Kontaktzone zum Hydrieren von Keten zu Acetaldehyd in Gegenwart eines Übergangsmetallkatalysators verwendet; eine zweite Kontaktzone wird zum Umsetzen des in der ersten Kontaktzone gebildeten Acetaldehyds mit Keten in Gegenwart eines Säurekatalysators zur Herstellung von Vinylacetat verwendet. Wenn eine einzelne Kontaktzone verwendet wird, werden Keten und Wasserstoff in Gegenwart eines Übergangsmetallkatalysators und eines Säurekatalysators zur Erzeugung von Vinylacetat umgesetzt. Es ist allgemein bevorzugt, zwei getrennte Kontaktzonen zu verwenden, da für den Fall, dass eine einzelne Kontaktzone verwendet wird, die Verringerung des Säurekatalysators dessen Aktivität herabsetzt und die Aktivität des Übergangsmetallkatalysators inhibiert. Wenn die Reaktion weiterhin in einer einzelnen Kontaktzone erfolgt, kann der Säurekatalysator entweder als ein löslicher Katalysator oder als ein unlöslicher fester Säurekatalysator vorliegen; wenn der Säurekatalysator ein unlöslicher fester Säurekatalysator ist, kann die Verringerung des Säurekatalysators und die Inhibierung des Übergangsmetallkatalysators verlangsamt werden. Wenn allerdings zwei Kontaktzonen betrieben werden, kann eine Mischung aus Wasserstoff, Keten und Acetaldehyd, welche aus der ersten Kontaktzone austritt, in eine zweite Kontaktzone eingespeist werden, um Vinylacetat herzustellen, ohne in signifikanter Weise die Aktivität des Säurekatalysators zu beeinträchtigen.The process of the invention can be carried out in two separate contact zones or it can be carried out in a single contact zone. When two separate contact zones are used, a first contact zone is used to hydrogenate ketene to acetaldehyde in the presence of a transition metal catalyst; a second contact zone is used to react the acetaldehyde formed in the first contact zone with ketene in the presence of an acid catalyst to produce vinyl acetate. When a single contact zone is used, ketene and hydrogen are reacted in the presence of a transition metal catalyst and an acid catalyst to produce vinyl acetate. It is generally preferred to use two separate contact zones because, in the case of a single contact zone being used, the reduction in the acid catalyst will reduce its activity and inhibit the activity of the transition metal catalyst. If the reaction continues to occur in a single contact zone, the acid catalyst can be present as either a soluble catalyst or an insoluble solid acid catalyst; if the acid catalyst is an insoluble solid acid catalyst, the degradation of the acid catalyst and the inhibition of the transition metal catalyst can be slowed. However, if two contact zones are operated, a mixture of hydrogen, ketene and acetaldehyde exiting the first contact zone can be fed into a second contact zone to produce vinyl acetate without significantly affecting the activity of the acid catalyst.
Das verwendete Keten kann durch irgendeine der üblichen ketenbildenden Reaktionen, wie die Essigsäure-Dehydratation, die Essigsäureanhydrid-Pyrolyse, die Diketen-Pyrolyse oder Aceton-Pyrolyse, hergestellt werden. Im industriellen Maßstab ist es bevorzugt, das Keten durch Essigsäure-Pyrolyse aus wirtschaftlichen Gründen herzustellen.The ketene used can be prepared by any of the usual ketene-forming reactions such as acetic acid dehydration, acetic anhydride pyrolysis, diketene pyrolysis or acetone pyrolysis. On an industrial scale, it is preferred to prepare the ketene by acetic acid pyrolysis for economic reasons.
Das in der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommende Acetaldehyd wird durch Hydrieren von Keten gemäß dem in der US-Anmeldung Serien-Nr. 08/619 385, eingereicht am 21. März 1996, hergestellt. Damit sollte das resultierende Acetaldehyd frei von großen Mengen an Komponenten sein, die normalerweise mit Keten reagieren. Das heißt, es ist bevorzugt, Acetaldehyd vorliegen zu haben, das im wesentlichen frei an nukleophilen Verunreinigungskomponenten, wie Wasser oder Alkoholen, ist, da diese mit Keten reagieren können, was zu einem Verlust an Ausbeute führt. Es ist häufig vorteilhaft, Spurenmengen (größer als 5 ppm) eines Polymerisationsinhibitors, wie Kupfer, oder eines Hydrochinonderivats, in Bereichen des Verfahrens einzuschließen, wo Vinylacetat vorhanden ist, doch ist dies kein Erfordernis der Erfindung.The acetaldehyde used in the present invention is prepared by hydrogenating ketene according to the process described in U.S. Application Serial No. 08/619,385, filed March 21, 1996. Thus, the resulting acetaldehyde should be free of large amounts of components that normally react with ketene. That is, it is preferable to have acetaldehyde that is substantially free of nucleophilic impurity components such as water or alcohols, since these can react with ketene, resulting in a loss of yield. It is often advantageous to use trace amounts (greater than 5 ppm) of a polymerization inhibitor such as copper or a hydroquinone derivative in ranges of the process where vinyl acetate is present, but this is not a requirement of the invention.
Das in der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommende Acetaldehyd wird durch Hydrieren von Keten unter sehr milden Bedingungen hergestellt. Das Verfahren kann in Kombination mit bekannten Keten-Herstellungsverfahren angewandt werden, um eine Vielzahl an Acetyl- und verwandten Verbindungen, wie Essigsäure, Essigsäureanhydrid, Diketen und Aceton, zu Acetaldehyd umzuwandeln. Die Herstellung von Acetaldehyd erfolgt in der vorliegenden Erfindung durch die Schritte (1) des Kontaktierens von Wasserstoff und Ketengasen mit einem Katalysator, welcher ein Metall umfasst, gewählt aus den Elementen der Gruppen g und 10 (IUPAC-Klassifizierung; Gruppe 9 = Co, Rh und Ir; Gruppe 10 = Ni, Pd und Pt) des Periodensystems in einer Hydrierzone und (2) des Gewinnens von Acetaldehyd aus der Hydrierzone. Wie obenstehend erwähnt, wenn zwei getrennte Kontaktzonen zur Erzeugung von Vinylacetat verwendet werden, würde die Hydrierung von Keten zu Acetaldehyd in einer ersten Kontaktzone vonstatten gehen, wobei das Produkt aus dieser direkt in eine zweite Kontaktzone eingespeist werden kann. Unser neues Verfahren zur Herstellung von Acetaldehyd beinhaltet nicht die Bildung von Keten-Metall-Komplexen der in der Literatur beschriebenen Art.The acetaldehyde used in the present invention is prepared by hydrogenating ketene under very mild conditions. The process can be used in combination with known ketene preparation processes to convert a variety of acetyl and related compounds, such as acetic acid, acetic anhydride, diketene and acetone, to acetaldehyde. The preparation of acetaldehyde in the present invention is carried out by the steps of (1) contacting hydrogen and ketene gases with a catalyst comprising a metal selected from the elements of Groups g and 10 (IUPAC classification; Group 9 = Co, Rh and Ir; Group 10 = Ni, Pd and Pt) of the periodic table in a hydrogenation zone and (2) recovering acetaldehyde from the hydrogenation zone. As mentioned above, if two separate contact zones are used to produce vinyl acetate, the hydrogenation of ketene to acetaldehyde would take place in a first contact zone, with the product from this being able to be fed directly into a second contact zone. Our new process for producing acetaldehyde does not involve the formation of ketene-metal complexes of the type described in the literature.
Das Verfahren zur Herstellung von Acetaldehyd kann bei Temperaturen im Bereich von 0 bis 250ºC betrieben werden, obwohl niedrige Temperaturen niedrige Reaktionsraten ergeben und übermäßig hohe Temperaturen einen beschleunigten Abbau bewirken, was zu einem Ausbeuteverlust führt. Daher ist ein stärker bevorzugter Bereich an Temperaturen zwischen 50 und 200ºC. Der am stärksten bevorzugte Temperaturbereich liegt zwischen 70 und 150ºC.The process for producing acetaldehyde can be operated at temperatures ranging from 0 to 250ºC, although low temperatures give low reaction rates and excessively high temperatures cause accelerated degradation resulting in loss of yield. Therefore, a more preferred range of temperatures is between 50 and 200ºC. The most preferred temperature range is between 70 and 150ºC.
Das katalytische Hydrierverfahren zur Herstellung von Acetaldehyd kann bei Drücken im Bereich von 0,05 bis 100 bar (5 bis 10 000 kPa) absolut durchgeführt werden (die hierin angegebenen Drücke sind bar absolut und kPa). Allerdings erhöhen übermäßig hohe Drücke die Möglichkeit der Bildung von Keten-Polymerisationsprodukten, wohingegen übermäßig niedrige Drücke niedrigere Reaktionsraten herbeiführen und es schwierig ist, die Wärme aus der Reaktion abzuführen. Das Verfahren wird vorzugsweise bei einem Druck von 0,1 bis 20 bar (10 bis 2000 kPa) durchgeführt, wobei der am meisten bevorzugte Bereich 0,25 bis 10 bar (25 bis 1000 kPa) ist. Da Keten normalerweise bei einem Druck von 1 bar (100 kPa) Druck oder niedriger erzeugt wird, wird die Hydrierung geeigneterweise bei einem Druck von 1 bar (100 kPa) oder niedriger durchgeführt.The catalytic hydrogenation process for producing acetaldehyde can be carried out at pressures in the range of 0.05 to 100 bar (5 to 10,000 kPa) absolute (the pressures referred to herein are bar absolute and kPa). However, excessively high pressures increase the possibility of forming ketene polymerization products, whereas excessively low pressures result in lower reaction rates and it is difficult to remove the heat from the reaction. The process is preferably carried out at a pressure of 0.1 to 20 bar (10 to 2000 kPa), with the most preferred range being 0.25 to 10 bar (25 to 1000 kPa). Since ketene is normally produced at a pressure of 1 bar (100 kPa) pressure or lower, the hydrogenation is suitably carried out at a pressure of 1 bar (100 kPa) or lower.
Die Reaktantenmischung in der Hydrierzone (d. h. der ersten Kontaktzone) kann im wesentlichen aus 100% Keten und Wasserstoff bestehen, oder es kann ein nicht-reaktives (inertes) Verdünnungsgas, wie Stickstoff, Argon, Helium und leichter Kohlenwasserstoff, zugesetzt werden. Zum Beispiel kann das Vorliegen von nicht-reaktivem Verdünnungsgas in der Reaktantenmischung die Abfuhr von Wärme aus der Reaktionszone unterstützen. Bei Gebrauch können inerte Verdünnungsmittel 1 bis 95 Vol.-% der Reaktantenneinspeisung ausmachen. Der Einsatz überschüssiger Mengen an Verdünnungsgas verringert die Reaktionsrate und macht die Isolierung des Produkts Acetaldehyd schwieriger. Das Vorliegen von signifikanten Mengen an Kohlenmonoxid kann die Hydrierungskatalysatoren nachteilig beeinflussen, insbesondere die bevorzugten Palladiumkatalysatoren. Deshalb sollte die Reaktantenmischung normalerweise weniger als 1 Vol.-% Kohlenmonoxid, vorzugsweise weniger als 1000 ppm Kohlenmonoxid enthalten.The reactant mixture in the hydrogenation zone (i.e., the first contact zone) may consist essentially of 100% ketene and hydrogen, or a non-reactive (inert) diluent gas such as nitrogen, argon, helium and light hydrocarbon may be added. For example, the presence of non-reactive diluent gas in the reactant mixture may assist in the removal of heat from the reaction zone. When used, inert diluents may comprise 1 to 95 volume percent of the reactant feed. The use of excess amounts of diluent gas reduces the reaction rate and makes isolation of the product acetaldehyde more difficult. The presence of significant amounts of carbon monoxide may adversely affect the hydrogenation catalysts, particularly the preferred palladium catalysts. Therefore, the reactant mixture should normally contain less than 1% by volume carbon monoxide, preferably less than 1000 ppm carbon monoxide.
Das Molverhältnis von Wasserstoff zu Keten kann beträchtlich schwanken und kann in einem Bereich von 0,25 : 1 bis 10 : 1 liegen. Das Wasserstoff/Keten-Molverhältnis liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1 : 1 bis 8 : 1, am stärksten bevorzugt 2 : 1 bis 4 : 1. Wasserstoff/Keten-Molverhältnisse von unterhalb 1 : 1 schränken die Umwandlung von Keten ein und verringern die Reaktionsrate. Obwohl die Reaktionsrate mit größer werdenden Wasserstoff/Keten-Verhältnissen zunimmt, erhöhen übermäßige Mengen an Wasserstoff die beim Isolieren des Produkt anzutreffende Schwierigkeit. Auch kann der Einsatz übermäßig hoher Mengen an Wasserstoff in Kombination mit einer niedrigen Raumgeschwindigkeit zur Bildung von etwas Ethanol oder Ethylacetat führen, nachdem der größte Teil des Ketens aufgebraucht wurde. Ethanol wird normalerweise nicht in dem erfindungsgemäßen Verfahren gebildet, doch ist Ethylacetat bei höheren Umwandlungen nachweisbar.The hydrogen to ketene molar ratio can vary considerably and can range from 0.25:1 to 10:1. The hydrogen/ketene molar ratio is preferably in the range from 1:1 to 8:1, most preferably 2:1 to 4:1. Hydrogen/ketene molar ratios below 1:1 limit the conversion of ketene and reduce the reaction rate. Although the reaction rate increases with increasing hydrogen/ketene ratios, excessive amounts of hydrogen increase the difficulty encountered in isolating the product. Also, the use of excessive amounts of hydrogen combined with a low space velocity can result in the formation of some ethanol or ethyl acetate after most of the ketene has been consumed. Ethanol is not normally formed in the process of the invention, but ethyl acetate is detectable at higher conversions.
Die Metalle, welche die Hydrierung von Keten zu Acetaldehyd gemäß der vorliegenden Erfindung katalysieren, sind in einer formell so bezeichneten Gruppe VIII oder Gruppe VIIIA des Periodensystems und insbesondere in den gegenwärtig so bezeichneten Gruppen 9 und 10 des Periodensystems zu finden. Der Katalysator ist vorzugsweise gewählt aus Rhodium, Platin und insbesondere Palladium. Die katalytischen Metalle können in der Form von nicht- trägergestützten Metallen verwendet werden oder sie können in der Form eines trägergestützten Katalysators, welcher das auf einem Katalysator-Trägermaterial abgeschiedene katalytische Metall umfasst, verwendet werden. Aluminiumoxid, Kohlenstoff, Titandioxid, Silica, Bariumsulfat, Bariumcarbonat und Calciumcarbonat sind Beispiele für geeignete Trägermaterialien. Der Lindlar-Katalysator (Palladium auf Calciumcarbonat, modifiziert mit Blei) ist ebenfalls bei der Reaktion wirksam, ist aber nicht so selektiv wie Palladium auf den anderen oben genannten Trägern. Wenn ein Träger verwendet wird, kann die Metallbeschickung im Bereich von 0,1 bis 10 Gew.-% liegen. Metallbeschickungen außerhalb dieser Bereiche führen ebenfalls die Reaktion durch, optimieren aber im allgemeinen nicht den Einsatz des Metalls und Trägers. Es ist ebenfalls bevorzugt, einen nicht trägergestützten Palladiumkatalysator zu verwenden, wie Palladiumschwamm, weil die Wasserstoffbehandlung oft die Aktivität wirksamer wiederherstellt als dies bei einem trägergestützten Katalysator der Fall ist. Es ist wohl ebenfalls möglich, die katalytisch aktiven Metalle in der Form von Salzen oder Komplexen zu verwenden, die in einem flüssigen Reaktionsmedium löslich sind, in welchem das Verfahren durchgeführt werden kann.The metals which catalyze the hydrogenation of ketene to acetaldehyde according to the present invention are found in a formally designated Group VIII or Group VIIIA of the Periodic Table and in particular in the presently designated Groups 9 and 10 of the Periodic Table. The catalyst is preferably selected from rhodium, platinum and in particular palladium. The catalytic metals may be used in the form of unsupported metals or they may be used in the form of a supported catalyst comprising the catalytic metal deposited on a catalyst support material. Alumina, carbon, titanium dioxide, silica, Barium sulfate, barium carbonate, and calcium carbonate are examples of suitable support materials. The Lindlar catalyst (palladium on calcium carbonate modified with lead) is also effective in the reaction, but is not as selective as palladium on the other supports mentioned above. When a support is used, the metal loading can range from 0.1 to 10 wt.%. Metal loadings outside these ranges will also carry out the reaction, but generally do not optimize the use of the metal and support. It is also preferred to use an unsupported palladium catalyst, such as sponge palladium, because hydrogen treatment often restores activity more effectively than is the case with a supported catalyst. It may also be possible to use the catalytically active metals in the form of salts or complexes that are soluble in a liquid reaction medium in which the process can be carried out.
Verschiedene Betriebsmodi können bei der Herstellung von Acetaldehyd gemäß der Erfindung zur Anwendung kommen. Zum Beispiel kann das Verfahren als ein heterogenes Dampfphasenverfahren eingesetzt werden, in welchem ein Dampf(gas), welches Keten, Wasserstoff und gegebenenfalls ein nicht-reaktives Verdünnungsgas umfasst, in eine Reaktions- (Hydrier-)Zone, welche ein oder mehrere Betten der obenstehend beschriebenen Katalysatoren enthält, eingespeist wird. Ein alternativer heterogener Betriebsmodus besteht aus einem Dampf/Flüssigkeit/Festphasen-Verfahren, in welchem ein Keten, Wasserstoff und gegebenenfalls ein nicht-reaktives Verdünnungsgas umfassendes Einspeisegas in eine Reaktionszone eingespeist wird, die den Katalysator als fein verteilte Suspension in einem nicht-reaktiven flüssigen Reaktionsmedium, wie Mineralöl, enthält. Das Produkt Acetaldehyd kann aus der Reaktionszone durch Gasstrippen abgeführt werden. In einer anderen Ausführungsform der Dampf/Flüssig/Festphasen-Betriebsmethode kann eine Mischung der Gaseinspeisung und einer nicht-reaktiven Flüssigkeit in die Hydrierzone eingespeist werden, wo sie über den festen Katalysator in einem Rieselbett-Betriebsmodus geleitet wird. Schließlich kann das Verfahren unter Verwendung einer homogenen Katalysatorlösung praktiziert werden, welche aus einem Salz oder Komplex des katalytisch wirksamen Metalls, das in einem nicht-reaktiven flüssigen Reaktionsmedium (Lösungsmittel) gelöst ist, welchem das Keten, Wasserstoff und gegebenenfalls ein nicht-reaktives Verdünnungsgas umfassende Gasgemisch zugeführt wird, bestehen. Eine solcher homogener Betrieb ist nicht bevorzugt.Various modes of operation can be used in the production of acetaldehyde according to the invention. For example, the process can be used as a heterogeneous vapor phase process in which a vapor (gas) comprising ketene, hydrogen and optionally a non-reactive diluent gas is fed to a reaction (hydrogenation) zone containing one or more beds of the catalysts described above. An alternative heterogeneous mode of operation consists of a vapor/liquid/solid phase process in which a feed gas comprising ketene, hydrogen and optionally a non-reactive diluent gas is fed to a reaction zone containing the catalyst as a finely divided suspension in a non-reactive liquid reaction medium such as mineral oil. The product acetaldehyde can be removed from the reaction zone by gas stripping. In another embodiment of the vapor/liquid/solid phase mode of operation, a mixture of the gas feed and a non-reactive liquid can be fed into the hydrogenation zone where it is passed over the solid catalyst in a trickle bed mode of operation. Finally, the process can be practiced using a homogeneous catalyst solution consisting of a salt or complex of the catalytically active metal dissolved in a non-reactive liquid reaction medium (solvent) to which the gas mixture comprising ketene, hydrogen and optionally a non-reactive diluent gas is fed. Such homogeneous operation is not preferred.
Das Hydrierverfahren kann als satzweises, halbkontinuierliches oder kontinuierliches Verfahren betrieben werden. Der effizienteste Betrieb des Hydrierverfahrens wird durch kontinuierlichen Betrieb des Verfahrens in einem heterogenen Gasphasen-Betriebsmodus erreicht. Bei diesem bevorzugten Betriebsmodus sorgt das Verfahren der Erfindung für eine kontinuierliche Herstellung von Acetaldehyd durch die Schritte des:The hydrogenation process can be operated as a batch, semi-continuous or continuous process. The most efficient operation of the hydrogenation process is achieved by continuously operating the process in a heterogeneous gas phase mode of operation. In this preferred mode of operation, the process of the invention provides for a continuous production of acetaldehyde by the steps of:
(1) Kontinuierlichen Einspeisens eines Keten, Wasserstoff und gegebenenfalls ein nicht- reaktives Verdünnungsgas umfassenden Dampf(-Gases) in eine Reaktions-(Hydrier-)- Zone, die ein oder mehrere Betten des katalytisch wirksamen Hydrierkatalysators enthält; und(1) Continuously feeding a vapor (gas) comprising ketene, hydrogen and optionally a non-reactive diluent gas into a reaction (hydrogenation) zone containing one or more beds of the catalytically active hydrogenation catalyst; and
(2) des kontinuierlichen Abführens eines Acetaldehyd umfassenden Produktsgases aus der Reaktionszone.(2) continuously removing a product gas comprising acetaldehyde from the reaction zone.
Die in dem bevorzugten heterogenen, kontinuierlichen Verfahren eingesetzten Katalysatoren umfassen trägergestützte und nicht-trägergestützte Palladiumkatalysatoren. Wie obenstehend erwähnt, kann bei der vorliegenden Erfindung das Produkt Acetaldehyd sodann mit Keten in Gegenwart eines Säurekatalysators unter Bildung von Vinylacetat reagieren.The catalysts used in the preferred heterogeneous continuous process include supported and unsupported palladium catalysts. As mentioned above, in the present invention, the product acetaldehyde can then react with ketene in the presence of an acid catalyst to form vinyl acetate.
Bezüglich der Hydrierreaktion können die Gas-Raumstundengeschwindigkeit (GHSV - Volumina des Reaktanten pro Volumen des Katalysators pro Stunde) des ketenhaltigen Reaktanten und die Zufuhr an Verdünnungsgasen im Bereich von 10 bis 100 000 unter Anwendung des bevorzugten heterogenen Betriebsmodus liegen. Die GHSV liegt vorzugsweise im Bereich von 100 bis 50 000, und am meisten bevorzugt im Bereich von 1 000 bis 20 000. Im allgemeinen erhöht eine Zunahme der GHSV die Reaktionsrate, vermindert aber die Umwandlung. Die Auswahl der optimalen GHSV hängt von der physikalischen Form des Katalysators und der Rate und der gewünschten Umwandlung ab.With respect to the hydrogenation reaction, the gas hourly space velocity (GHSV - volumes of reactant per volume of catalyst per hour) of the ketene-containing reactant and the feed of diluent gases can range from 10 to 100,000 using the preferred heterogeneous mode of operation. The GHSV is preferably in the range of 100 to 50,000, and most preferably in the range of 1,000 to 20,000. In general, an increase in GHSV increases the reaction rate but decreases the conversion. The selection of the optimal GHSV depends on the physical form of the catalyst and the rate and conversion desired.
Wie obenstehend erwähnt, werden, wenn das Verfahren der Erfindung innerhalb zwei Kontaktzonen durchgeführt wird, Keten und das Acetaldehyd aus der ersten Kontaktzone und eine Säurekatalysator in einer zweiten Kontaktzone unter Bildung von Vinylacetat in Kontakt gebracht. Die zweite Kontaktzone kann Säurekatalysator in einer flüssigen Lösung als Feststoff oder als eine Mischung aus Feststoff und Flüssigkeit enthalten. Die bevorzugte Säure sollte eine Bronsted-Säure sein. Stärker bevorzugte Säuren sind jene, die Phosphor oder Schwefel in einem positiven Oxidationszustand enthalten, und diese schließen die flüssigen Phosphor-, Schwefel- und Methansulfonsäuren, die löslichen festen Benzolsulfon-, p-Toiuolsulfon-, Naphthalinsulfon- und Naphthalindisulfonsäuren und ein unlösliches saures Ionenaustauschharz, wie Amberlyst® 15 (eine teilweise vernetzte Sulfonsäureform von Polystyrol) und polymere Nation® 117-(ein perfluoriertes Sulfonsäureharz)-Sulfonsäuren ein. Starke Säuren, wie Schwefelsäure, verursachen eine übermäßige Verkohlung unter den Reaktionsbedingungen und können das Nebenprodukt Essigsäure bilden. Schwache Säuren, wie Methansulfonsäure, ergeben niedrigere Reaktionsraten. Katalysatoren auf Polystyrol-Basis, wie Amberlyst® 15, tendieren zu einer langsamen Zersetzung unter den Reaktionsbedingungen. Flüchtige Säuren, wie Methansulfonsäure, tendieren dazu, das Produkt in der Reaktionszone zurückzulassen, was unerwünscht ist. Die noch stärker bevorzugten Säuren sind Aren-Sulfonsäuren: Benzolsulfonsäure, p-Toluolsulfonsäure, Naphthalinsulfonsäuren und Naphthalindisulfonsäuren. Im allgemeinen ist p-Toluolsulfonsäure die am meisten bevorzugte Säure, weil keine signifikanten Mengen an Essigsäure erzeugt werden, nachdem ein stationärer Betriebszustand erreicht worden ist.As mentioned above, when the process of the invention is carried out within two contact zones, ketene and the acetaldehyde from the first contact zone and an acid catalyst are contacted in a second contact zone to form vinyl acetate. The second contact zone may contain acid catalyst in a liquid solution as a solid or as a mixture of solid and liquid. The preferred acid should be a Bronsted acid. More preferred acids are those containing phosphorus or sulfur in a positive oxidation state and these include the liquid phosphorus, Sulfuric and methanesulfonic acids, the soluble solid benzenesulfonic, p-toluenesulfonic, naphthalenesulfonic and naphthalenedisulfonic acids and an insoluble acidic ion exchange resin such as Amberlyst® 15 (a partially cross-linked sulfonic acid form of polystyrene) and polymeric Nafion® 117 (a perfluorinated sulfonic acid resin) sulfonic acids. Strong acids such as sulfuric acid cause excessive charring under the reaction conditions and can form the byproduct acetic acid. Weak acids such as methanesulfonic acid give lower reaction rates. Polystyrene-based catalysts such as Amberlyst® 15 tend to decompose slowly under the reaction conditions. Volatile acids such as methanesulfonic acid tend to leave the product in the reaction zone, which is undesirable. The even more preferred acids are arene sulfonic acids: benzenesulfonic acid, p-toluenesulfonic acid, naphthalenesulfonic acids, and naphthalenedisulfonic acids. In general, p-toluenesulfonic acid is the most preferred acid because no significant amounts of acetic acid are produced after steady state operation is achieved.
Wenn die zweite Kontaktzone Säurekatalysator in flüssiger Lösung enthält, sollte die Säurekonzentration im Bereich von 0,005 bis 2,0 Säureäquivalente pro Liter Lösung liegen. Das Verfahren der Erfindung ist mit Säurekonzentrationen außerhalb dieses Bereich möglich, doch tendieren übermäßig dünne Säurekonzentrationen dazu, für niedrigere Raten zu sorgen, und übermäßig hohe Säurekonzentrationen tendieren dazu, ein übermäßiges Verkohlen herbeizuführen. Die bevorzugten Säurekonzentrationen hängen von der verwendeten Säure, der Identität des Lösungsmittels, der Kontaktzeit und der Temperatur ab. Wenn daher beispielsweise die Säure p-Toluolsulfonsäure ist, ist das Lösungsmittel Essigsäureanhydrid, die Raumgeschwindigkeit beträgt etwa 65 h&supmin;¹ (die Einheiten sind Liter von Keten + Acetaldehyd bei Reaktionstemperatur und Druck pro Liter Lösung, kontaktiert pro Stunde, wobei das Volumen jedweder Verdünnungsmittel ausgenommen ist), und die Temperatur beträgt 150ºC, ein stärker bevorzugter Säurekonzentrationsbereich ist 0,01 bis 1, 2 Säureäquivalente pro Liter Lösung, und der am stärksten bevorzugte Bereich für die Säurekonzentration ist 0,03 bis 0,8 Säureäquivalente pro Liter Lösung.When the second contact zone contains acid catalyst in liquid solution, the acid concentration should be in the range of 0.005 to 2.0 acid equivalents per liter of solution. The process of the invention is possible with acid concentrations outside this range, but excessively thin acid concentrations tend to provide lower rates and excessively high acid concentrations tend to cause excessive charring. The preferred acid concentrations depend on the acid used, the identity of the solvent, the contact time and the temperature. Thus, for example, if the acid is p-toluenesulfonic acid, the solvent is acetic anhydride, the space velocity is about 65 hr-1 (units are liters of ketene + acetaldehyde at reaction temperature and pressure per liter of solution contacted per hour, excluding the volume of any diluent), and the temperature is 150°C, a more preferred range of acid concentration is 0.01 to 1.2 acid equivalents per liter of solution, and the most preferred range for acid concentration is 0.03 to 0.8 acid equivalents per liter of solution.
Wenn die zweite Kontaktzone eine unlösliche feste Säure enthält, sollte sie 0,01 bis 5 Säureäquivalente pro Liter Katalysator enthalten. Vorzugsweise sollte die feste unlösliche Säure 0,1 bis 3 Säureäquivalente pro Liter Katalysator, und am meisten bevorzugt zwischen 0,5 und 2 Säureäquivalente pro Liter Katalysator enthalten. Nachdem die feste, unlösliche Säure mit den Keten- und den Acetaldehyd-Reaktanten in der zweiten Kontaktzone unter den Reaktionsbedingungen kontaktiert worden ist, bildet sich eine Flüssigphase, und der Betriebsmodus verändert sich danach zu einem Gas-Flüssig-Fest-Modus.If the second contact zone contains an insoluble solid acid, it should contain 0.01 to 5 acid equivalents per liter of catalyst. Preferably, the solid insoluble acid should contain 0.1 to 3 acid equivalents per liter of catalyst, and most preferably between 0.5 and 2 acid equivalents per liter of catalyst. After the solid insoluble acid is contacted with After the ketene and acetaldehyde reactants in the second contact zone have been contacted under the reaction conditions, a liquid phase is formed and the operating mode then changes to a gas-liquid-solid mode.
Wenn die zweite Kontaktzone Säurekatalysator in flüssiger Lösung enthält, ist es bevorzugt, dass die Säure, Keten und Acetaldehyd eine gute Löslichkeit in dem Lösungsmittel besitzen. Das Lösungsmittel kann mit Keten oder Acetaldehyd unter Bildung reaktiver Intermediate reagieren oder nicht. Wechselwirkungen des Lösungsmittels mit Keten oder Acetaldehyd sollten derart sein, dass jegliche Intermediatspezies, die sich gebildet hat, am Ende zu Vinylacetat umgewandelt wird. Idealerweise sollte das Lösungsmittel bei einer Temperatur von gleich oder höher als der Reaktionstemperatur sieden. Beispiele für Lösungsmittelklassen, die für die Reaktion geeignet sind, schließen ein, sind aber nicht beschränkt auf, polycylische, aromatische Kohlenwasserstoffe, wie Naphthalin und deren halogenierte Derivate, wie 1-Chlornaphthalin, polare, aprotische Lösungsmittel, wie N-Methyl-2-pyrrolidinon, Essigsäureanhydrid, Ethylidendiaceatat und Mischungen von diesen. Nebenprodukt-Flüssigkeiten aus der Reaktion können als Lösungsmittel oder Lösungsmittelkomponenten verwendet werden. Die Lösungsmittel können kleine Mengen an Wasser oder Essigsäure enthalten. Das Wasser und Essigsäure reagieren mit dem Keten zu Beginn der Reaktion und werden größtenteils zu Essigsäureanhydrid umgewandelt. Die bevorzugten Lösungsmittel für die Reaktion sind Essigsäureanhydrid oder Essigsäureanhydrid, das kleine Mengen (10 Mol-% oder weniger) an Essigsäure enthält. Wenn diese Lösungsmittel mit den bevorzugten Katalysatoren verwendet werden, wird EDA zu Beginn der Reaktion gebildet und baut sich zu einem konstanten Anteil auf (ungefähr 20 bis 40 Gew.-% in Abhängigkeit von der Temperatur), und die Reaktionsrate nimmt in dem Maße zu, wie sich der Anteil an EDA aufbaut, und bleibt danach relativ konstant. Wenn jedoch N-Methyl-2-pyrrolidinon als Lösungsmittel verwendet wird, bleibt der Anteil des in der Lösung vorhandenen EDA bei etwa 1 Gew.-%. Im allgemeinen wird, wenn Wasser in dem Lösungsmittel vorhanden ist oder mit dem Säurekatalysator assoziiert ist, die Effizienz der Reaktion in dem Maße erhöht, wie das Wasser aufgebraucht wird.When the second contact zone contains acid catalyst in liquid solution, it is preferred that the acid, ketene and acetaldehyde have good solubility in the solvent. The solvent may or may not react with ketene or acetaldehyde to form reactive intermediates. Interactions of the solvent with ketene or acetaldehyde should be such that any intermediate species formed are ultimately converted to vinyl acetate. Ideally, the solvent should boil at a temperature equal to or higher than the reaction temperature. Examples of classes of solvents suitable for the reaction include, but are not limited to, polycyclic aromatic hydrocarbons such as naphthalene and their halogenated derivatives such as 1-chloronaphthalene, polar aprotic solvents such as N-methyl-2-pyrrolidinone, acetic anhydride, ethylidene diacetate and mixtures of these. Byproduct liquids from the reaction can be used as solvents or solvent components. The solvents can contain small amounts of water or acetic acid. The water and acetic acid react with the ketene early in the reaction and are largely converted to acetic anhydride. The preferred solvents for the reaction are acetic anhydride or acetic anhydride containing small amounts (10 mole % or less) of acetic acid. When these solvents are used with the preferred catalysts, EDA is formed early in the reaction and builds up to a constant level (approximately 20 to 40 weight % depending on temperature), and the reaction rate increases as the level of EDA builds up and remains relatively constant thereafter. However, when N-methyl-2-pyrrolidinone is used as the solvent, the level of EDA present in the solution remains at about 1 weight %. In general, when water is present in the solvent or associated with the acid catalyst, the efficiency of the reaction increases as the water is consumed.
Nachdem die Reaktionsrate in der zweiten Kontaktzone ihr Maximum erreicht hat, bleibt die Masse der in der Kontaktzone enthaltenen flüssigen Lösung im wesentlichen konstant, mit der Ausnahme der langsamen Bildung von nichtflüchtigen Nebenprodukten und einer Mitführung oder Verdampfung bzw. Verdunstung des Lösungsmittels. Das Mitführen oder die Verdampfung des Lösungsmittels wird durch die Verwendung einer Destillationssäule minimiert, um diese Komponenten in die Kontaktzonen-Lösung zurückzuführen, während gleichzeitig zugelassen wird, dass Vinylacetat und jedwedes nicht umgesetzte Keten oder Acetaldehyd die Kontaktzone verlassen. Ein langsames Abführen eines Teils der Flüssigkeit aus dem unteren Teil der zweiten Kontaktzone und ein gleichzeitiges Wiederauffüllen von dieser mit frischer Flüssigkeit durch Methoden, die Fachleuten auf dem Gebiet bekannt sind, kann eine Ansammlung von überschüssigem, nichtflüchtigen Nebenprodukt verhindern.After the reaction rate in the second contact zone has reached its maximum, the mass of liquid solution contained in the contact zone remains essentially constant, except for the slow formation of non-volatile by-products and entrainment or vaporization of the solvent. The entrainment or vaporization of the solvent is minimized by the use of a distillation column to these components back to the contact zone solution while allowing vinyl acetate and any unreacted ketene or acetaldehyde to leave the contact zone. Slowly draining a portion of the liquid from the lower portion of the second contact zone and simultaneously replenishing it with fresh liquid by methods known to those skilled in the art can prevent accumulation of excess non-volatile by-product.
Das Verfahren der Erfindung kann bei Drücken im Bereich von 0,05 bis 20 bar (5 bis 2000 kPa) absolut in der zweiten Kontaktzone durchgeführt werden. Allerdings erhöhen übermäßig hohe Drücke die Möglichkeit von Keten-Polymerisationsreaktionen, und kann es durch eine Verminderung der Produktflüchtigkeit schwieriger machen, das Vinylacetat-Produkt in den Fällen kontinuierlich zu gewinnen, wo das Produkt aus einem flüssigen Medium verdampfen muß. Demgegenüber verringern übermäßig niedrige Drücke die Reaktionsraten, können die Wärmeregelung komplizieren und erschweren das Kondensieren und Gewinnen des Vinylacetat-Produkts. Das Verfahren wird vorzugsweise bei einem Druck von 0,1 bis 5 bar (10 bis 500 kPa) in der zweiten Kontaktzone durchgeführt, wobei der am meisten bevorzugte Bereich 0,25 bis 2 bar (25 bis 200 kPa) ist. Da außerdem Keten normalerweise erzeugt wird und bei einem Druck von 1 bar (100 kPa) oder weniger verwendet wird, wird das Verfahren der Erfindung am zweckmäßigsten bei einem Druck von 1 bar (100 kPa) oder weniger durchgeführt.The process of the invention can be carried out at pressures in the range of 0.05 to 20 bar (5 to 2000 kPa) absolute in the second contact zone. However, excessively high pressures increase the possibility of ketene polymerization reactions and, by reducing product volatility, can make it more difficult to continuously recover the vinyl acetate product in those cases where the product must evaporate from a liquid medium. In contrast, excessively low pressures reduce reaction rates, can complicate heat control and make condensing and recovering the vinyl acetate product more difficult. The process is preferably carried out at a pressure of 0.1 to 5 bar (10 to 500 kPa) in the second contact zone, with the most preferred range being 0.25 to 2 bar (25 to 200 kPa). In addition, since ketene is normally produced and used at a pressure of 1 bar (100 kPa) or less, the process of the invention is most conveniently carried out at a pressure of 1 bar (100 kPa) or less.
Verdünnungsgas kann mit dem Keten und Acetaldehyd in die zweite Kontaktzone eingespeist werden, und dies kann zu einer Entfernung des gewünschten Vinylacetat-Produkts aus der Kontaktzone beitragen. Allerdings können überschüssige Menge an Verdünnungsgas die Schwierigkeit beim Kondensieren und Gewinnen des Vinylacetats aus der Dampfphase erhöhen. Verdünnungsgase können 0 bis 95 Vol.-% der Keten-Acetaldehyd-Zuführmischung umfassen. Stärker bevorzugte Anteile von Verdünnungsgasen liegen im Bereich von 0 bis 90 Vol.%, und die am meisten bevorzugten Anteile von Verdünnungsgasen liegen im Bereich von 0 bis 85 Vol.%. Die verwendeten Verdünnungsgase sollten solche sein, die nicht mit den Reaktanten oder Produkten unter den Reaktionsbedingungen reagieren. Geeignete Verdünnungsgase schließen Kohlenwasserstoffe, wie Methan, Stickstoff, Helium oder anderes Inertgas, Wasserstoff und Gase, die üblicherweise in Ketenströmen vorhanden sind, darin eingeschlossen - zusätzlich zu Methan - Kohlenmonoxid, Propin, Allen, Ethylen, Acetylen und Kohlendioxid. Luft oder andere molekulare sauerstoffhaltige Gase sind nicht bevorzugte Verdünnungsgase aufgrund von Sicherheitserwägungen, obwohl die Vinylacetat erzeugende Reaktion erfolgt, wenn diese Gase als Verdünnungsmittel verwendet werden.Diluent gas may be fed with the ketene and acetaldehyde into the second contact zone, and this may assist in removing the desired vinyl acetate product from the contact zone. However, excess amounts of diluent gas may increase the difficulty of condensing and recovering the vinyl acetate from the vapor phase. Diluent gases may comprise 0 to 95 volume percent of the ketene-acetaldehyde feed mixture. More preferred proportions of diluent gases are in the range of 0 to 90 volume percent, and most preferred proportions of diluent gases are in the range of 0 to 85 volume percent. The diluent gases used should be those that do not react with the reactants or products under the reaction conditions. Suitable diluent gases include hydrocarbons such as methane, nitrogen, helium or other inert gas, hydrogen and gases commonly present in ketene streams including, in addition to methane, carbon monoxide, propyne, allene, ethylene, acetylene and carbon dioxide. Air or other molecular oxygen-containing gases are not preferred diluent gases. due to safety considerations, although the vinyl acetate producing reaction occurs when these gases are used as diluents.
Das Verhältnis von Keten zu Acetaldehyd in der zweiten Kontaktzone ist nicht kritisch und kann im Bereich von 0,1 bis 10 liegen. Wenn ein hoher Überschuß von irgendeinem der Reaktanten verwendet wird, muß der nicht umgesetzte Teil entweder in die Reaktionskontaktzone zurückgeführt werden oder auf eine andere Weise verwendet werden. Wenn Keten der überschüssige Reaktant ist, kann dieses zurückgeführt oder zu anderen nützlichen Produkten umgewandelt werden, wie Essigsäureanhydrid oder Diketen. Wenn Acetaldehyd der überschüssige Reaktant ist, kann es zurückgeführt werden, unverändert gewonnen werden oder zu anderen nützlichen Produkten, wie Pentaerythritol, synthetischen Pyridinderivaten oder Peressigsäure, umgewandelt werden. Ein stärker bevorzugtes Verhältnis von Keten zu Acetaldehyd beträgt zwischen 0,2 und 5 und das am meisten bevorzugte Verhältnis von Keten zu Acetaldehyd beträgt zwischen 0,4 und 2,5.The ratio of ketene to acetaldehyde in the second contact zone is not critical and can range from 0.1 to 10. If a large excess of any of the reactants is used, the unreacted portion must either be recycled to the reaction contact zone or used in another way. If ketene is the excess reactant, it can be recycled or converted to other useful products, such as acetic anhydride or diketene. If acetaldehyde is the excess reactant, it can be recycled, recovered unchanged, or converted to other useful products, such as pentaerythritol, synthetic pyridine derivatives, or peracetic acid. A more preferred ratio of ketene to acetaldehyde is between 0.2 and 5 and the most preferred ratio of ketene to acetaldehyde is between 0.4 and 2.5.
Die Temperatur der zweiten Kontaktzone kann im Bereich von 85ºC bis 200ºC liegen. Übermäßig niedrige Temperaturen sorgen für niedrige Raten und Umwandlungen, wohingegen übermäßig hohe Temperaturen die Rate der Bildung von verkohltem Material beschleunigen, Katalysatorverluste erhöhen und für einen geringen Anstieg der Rate sorgen. Stärker bevorzugte Temperaturen liegen im Bereich von 100 bis 180ºC, und der am meisten bevorzugte Temperaturbereich ist 120 bis 160ºC, wenn die Kontaktzone Säurekatalysator in flüssiger Lösung enthält. Unlösliche, feste Amberlyst®-Säurekatalysatoren zersetzen sich bei erhöhten Temperaturen und sollten nicht bei wesentlich über 120ºC liegenden Temperaturen verwendet werden, doch es können die Nation®-Katalysatoren bei Temperaturen von an die 150ºC verwendet werden.The temperature of the second contact zone can range from 85ºC to 200ºC. Excessively low temperatures will result in low rates and conversions, whereas excessively high temperatures will accelerate the rate of char formation, increase catalyst losses and result in little rate increase. More preferred temperatures are in the range of 100 to 180ºC, and the most preferred temperature range is 120 to 160ºC when the contact zone contains acid catalyst in liquid solution. Insoluble, solid Amberlyst® acid catalysts decompose at elevated temperatures and should not be used at temperatures much above 120ºC, but the Nation® catalysts can be used at temperatures as high as 150ºC.
Die zweite Kontaktzone sollte so aufgebaut sein, dass ein effizienter Kontakt mit dem Säurekatalysator ermöglicht wird, dass sie ausreichend Zeit für die Umsetzung der Reaktanten läßt, zur Aufnahme nichtflüchtiger Komponenten, die in den Reaktor zurückgeführt werden, in der Lage ist, und ohne signifikante Wärme- oder Massenübertragungseinschränkungen betrieben werden kann. Die tatsächliche Konfiguration der zweiten Kontaktzone kann von dem Umfang des Betriebs, den Strömungsraten, der Temperatur, den Drücken, dem Anteil an Verdünnungsmittel, der Beschaffenheit und der Menge von vorhandenen Lösungsmitteln und dem Katalysatortyp und der Menge abhängen. In den meisten Fällen werden das Acetaldehyd und Keten in die Nähe des unteren Bereichs der zweiten Kontaktzone zusammen mit jeglichen Verdünnungsgasen zugeführt. Das einfachste Beispiel einer zweiten Kontaktzone für einen Säurekatalysator in einer flüssigen Lösung ist ein zylindrisches Rohr mit einer Vorkehrung, um Gase in den unteren Teil des Rohrs zu sprühen.The second contact zone should be designed to allow efficient contact with the acid catalyst, allow sufficient time for the reactants to react, be capable of accepting non-volatile components recycled to the reactor, and operate without significant heat or mass transfer limitations. The actual configuration of the second contact zone may depend on the scale of operation, flow rates, temperature, pressures, proportion of diluent, nature and amount of solvents present, and catalyst type and amount. In most cases, the acetaldehyde and Ketene is fed near the bottom of the second contact zone along with any diluent gases. The simplest example of a second contact zone for an acid catalyst in a liquid solution is a cylindrical tube with a provision to spray gases into the lower part of the tube.
In einigen Fällen kann es bevorzugt sein, das Flüssigmedium im Gegenstrom zu den Reaktantengasströmen zirkulieren zu lassen, um die Wärme- und Massenübertragung in der zweiten Kontaktzone zu verbessern. Die den Katalysator enthaltende Flüssigkeit kann über einen Feststoff mit grossem Oberflächenbereich, falls erwünscht, fein verteilt werden, um den Gas/Flüssigkeit-Kontakt zu verbessern, doch ist ein gewisser Grad der Flüssigkeitszirkulation erforderlich, um die Feststoffoberfläche mit frischer Katalysatorlösung wiederaufzufüllen. Die Verwendung von Leiteinrichtungen bzw. Baffles, Hochgeschwindigkeitsrührern oder anderen Gasdispergiervorrichtungen zur Verbesserung der Masseübertragung liegt innerhalb des Wesens der Erfindung.In some cases, it may be preferable to circulate the liquid medium countercurrent to the reactant gas streams to improve heat and mass transfer in the second contact zone. The catalyst-containing liquid may be dispersed over a high surface area solid if desired to improve gas/liquid contact, but some degree of liquid circulation is required to replenish the solid surface with fresh catalyst solution. The use of baffles, high speed stirrers or other gas dispersing devices to improve mass transfer is within the spirit of the invention.
Wenn ein unlöslicher, fester Säurekatalysator in der zweiten Kontaktzone zum Einsatz kommt, kann die Reaktion ohne die Zusetzung von Flüssigkeit durchgeführt werden. Allerdings wird allgemein in diesem Fall am Ende eine Flüssigkeit auftreten und den Katalysator anfeuchten. Die unlösliche feste Säure kann in einem Rohr eine Stützung erhalten, und die Reaktanten können durch den unteren Teil des Rohrs oder durch den oberen Teil des Rohrs geleiteten werden, und allgemein arbeitet der Reaktor in einem Rieselbettmodus. Alternativ kann der unlösliche feste Säurekatalysator in einer Flüssigkeit dispergiert werden und die Reaktion kann in einem Aufschlämmungsmodus erfolgen, wobei die Reaktanten und Suspensionen in der gleichen Weise wie für lösliche Katalysatoren und unter Einsatz von ähnlichen Flüssigkomponenten durchgeführt werden.When an insoluble solid acid catalyst is used in the second contact zone, the reaction can be carried out without the addition of liquid. However, generally in this case a liquid will appear at the end and wet the catalyst. The insoluble solid acid can be supported in a tube and the reactants can be passed through the lower part of the tube or through the upper part of the tube, and generally the reactor operates in a trickle bed mode. Alternatively, the insoluble solid acid catalyst can be dispersed in a liquid and the reaction can be carried out in a slurry mode, with the reactants and suspensions being handled in the same manner as for soluble catalysts and using similar liquid components.
Es ist am besten, die Geschwindigkeit der Reaktanten durch die zweite Kontaktzone zu wählen, nachdem über andere Betriebsparameter entschieden ist. Diese Geschwindigkeit kann beträchtlich in Abhängigkeit von den anderen Betriebsparametern schwanken und muß experimentell eingestellt werden, um für die optimale Umwandlung des einschränkenden Reaktanten und die höchste Selektivität und Rate zu sorgen. Unter Betriebsbedingungen von 0,03 Äquivalenten Arsensulfonsäure pro Mol Essigsäureanhydrid-Lösungsmittel bei 130-160ºC und mit ungefähr 85% vorhandenem Verdünnungsgas werden zwischen 5 und 160 Liter Acetaldehyd- plus Ketendampf an jedem Liter Katalysatorlösung pro Stunde hindurchgeleitet unter Vernachlässigung des Volumens des Verdünnungsgases. Stärker bevorzugte Einspeisraten unter diesen Bedingungen liegen im Bereich von 30 bis 120 Litern Acetaldehyd- plus Keten-Dampf pro Liter Katalysatorlösung pro Stunde unter Vernachlässigung des Volumens des Verdünnungsgases. Die am meisten bevorzugten Einspeisraten unter diesen Bedindungen liegen im Bereich von 45 bis 80 Liter Acetaldehyd- plus Keten-Dampf pro Liter Lösung pro Stunde unter Vernachlässigung des Volumens des Verdünnungsgases.It is best to choose the rate of reactants through the second contact zone after other operating parameters have been decided. This rate can vary considerably depending on the other operating parameters and must be adjusted experimentally to provide optimum conversion of the limiting reactant and the highest selectivity and rate. Under operating conditions of 0.03 equivalents of arsenic sulfonic acid per mole of acetic anhydride solvent at 130-160ºC and with approximately 85% diluent gas present, between 5 and 160 liters of acetaldehyde plus ketene vapor are passed per liter of catalyst solution per hour. neglecting the volume of diluent gas. More preferred feed rates under these conditions are in the range of 30 to 120 liters of acetaldehyde plus ketene vapor per liter of catalyst solution per hour neglecting the volume of diluent gas. Most preferred feed rates under these conditions are in the range of 45 to 80 liters of acetaldehyde plus ketene vapor per liter of solution per hour neglecting the volume of diluent gas.
Das Verfahren der Umsetzung von Keten und Acetaldehyd kann als ein kontinuierliches Verfahren wie obenstehend beschrieben oder, was weniger bevorzugt ist, als Batchverfahren betrieben werden. Ein Batchverfahren kann zum Beispiel erfordern, dass die gewünschten Mengen an Reaktanten, Lösungsmitteln und Katalysatoren in eine Kontaktzone gefüllt werden, unter Druck erwärmt werden, bis die Reaktion abgeschlossen ist, und anschließend das Vinylacetat durch Destillation gewonnen wird. Der Batchbetrieb ist nicht bevorzugt, da ein längeres Erwärmen der Reaktanten und Produkte in Gegenwart des Säurekatalysators zur Bildung großer Mengen an Nebenprodukten führt. Damit wird das Verfahren vorzugsweise als ein kontinuierliches Verfahren, wie obenstehend beschrieben, betrieben. Aufgrund der kurzen Zeit, für die die Reaktanten, Produkte und Säurekatalysatoren bei einer erhöhten Temperatur kontaktiert werden, wird die Bildung unerwünschter Nebenprodukte minimiert, wenn das Verfahren in der obenstehend beschriebenen kontinuierlichen Weise betrieben wird. Nachdem das kontinuierliche Verfahren einen stabilen Leistungszustand erreicht hat, gleicht die Rate der Massenabgabe in die Kontaktzone in etwa der Rate des Massenabgangs aus der Kontaktzone. Unter den bevorzugten Betriebsbedingungen ist Essigsäure in dem Produktstrom nicht in signifikanten Mengen vorhanden, nachdem ein stabiler Leistungszustand erreicht ist.The process of reacting ketene and acetaldehyde can be operated as a continuous process as described above or, less preferably, as a batch process. For example, a batch process may require that the desired amounts of reactants, solvents and catalysts be charged to a contact zone, heated under pressure until the reaction is complete, and then the vinyl acetate is recovered by distillation. Batch operation is not preferred because prolonged heating of the reactants and products in the presence of the acid catalyst results in the formation of large amounts of byproducts. Thus, the process is preferably operated as a continuous process as described above. Due to the short time for which the reactants, products and acid catalysts are contacted at an elevated temperature, the formation of undesirable byproducts is minimized when the process is operated in the continuous manner described above. After the continuous process reaches a steady state power condition, the rate of mass discharge into the contact zone approximately equals the rate of mass discharge from the contact zone. Under the preferred operating conditions, acetic acid is not present in the product stream in significant amounts after a steady state power condition is reached.
Zu einer Übersicht über die bei der Hydrierung von Keten zu Acetaldehyd eingesetzte Vorrichtung, siehe die US-Anmeldung Serien-Nr. 08/619 385, eingereicht am 31. März 1996, deren Inhalt hierin durch den Bezug eingeschlossen ist. Darüber hinaus enthält die Anmeldung Beispiele zur weiteren Veranschaulichung der Herstellung von Acetaldehyd, das in dem Verfahren der Erfindung verwendet wird.For a review of the apparatus used in the hydrogenation of ketene to acetaldehyde, see U.S. Application Serial No. 08/619,385, filed March 31, 1996, the contents of which are incorporated herein by reference. In addition, the application contains examples to further illustrate the preparation of acetaldehyde used in the process of the invention.
Eine Übersicht über die in den Beispielen 1-11 eingesetzte Vorrichtung dieser Anmeldung ist die folgende. Die Vorrichtung bestand aus 7 Hauptabschnitten:An overview of the apparatus used in Examples 1-11 of this application is as follows. The apparatus consisted of 7 main sections:
1. einem Gaszuführsystem;1. a gas supply system;
2. einem Keten-Erzeugungsabschnitt,2. a ketene production section,
3. einem Keten-Reinigungsabschnitt,3. a ketene purification section,
4. einem Keten-Einfang-/Verdampferabschnitt,4. a ketene capture/evaporator section,
5. einem Acetaldehyd-Reinigungs- und Zuführabschnitt5. an acetaldehyde purification and feeding section
6. einem Reaktor-Kühler-Reihe-Abschnitt,6. a reactor cooler series section,
7. einem Skrubbersystem.7. a scrubber system.
Diese 7 Hauptabschnitte wurden durch eine Reihe von Verbindungsleitungen und Absperrhähnen verbunden. Das Gaszuführsystem lieferte vier getrennte dosierte Stickstoffströme zu verschiedenen Punkten in der Vorrichtung. Der Keten-Erzeugungsabschnitt bestand aus einer Anordung aus einem Essigsäureanhydrid-Verdampfer/Pyrolyse-Rohr, einem gekühlten Kondensator und einem Cyclon.These 7 main sections were connected by a series of connecting pipes and stopcocks. The gas supply system delivered four separate metered nitrogen streams to different points in the apparatus. The ketene generation section consisted of an arrangement of an acetic anhydride vaporizer/pyrolysis tube, a cooled condenser and a cyclone.
produzierte rohes Keten durch Essigsäureanhydrid-Pyrolyse und bewerkstelligte die rasche Trennung des Ketens von der Hauptmasse des Beiprodukts Essigsäure und des nicht umgesetzten Essigsäureanhydrids. Der Keten-Reinigungsabschnitt bestand aus einer auf 0ºC gehaltenen Entnebelungsfalle (Falle A) und einer anfänglich auf -78ºC gehaltenen Falle (Falle B) für die anfängliche Kondensation und anschließende Destillation von gereinigtem Keten zu dem Keten-Falle/Verdampfer-Abschnitt. Der Keten-Falle/Verdampfer-Abschnitt diente als Reservoir für gereinigtes Keten und sorgte auch für die dosierte Zuführung von Keten in den Reaktor. Der Keten-Falle/Verdampfer-Abschnitt wurde auf -78ºC gehalten für das Sammeln des destillierten Ketens aus der Falle B und dessen anschließende Zuführung in den Reaktor durch Transpiration in zudosiertem Stickstoff. Der Acetaldehyd-Reinigungs- und Zuführabschnitt bestand aus einem Meßzylinder, aus welchem Acetaldehyd destilliert werden konnte, und einem auf -20ºC gehaltenen Falle/Verdampfer-Abschnitt für das Sammeln des destillierten Acetaldehyds und die anschließende Zuführung in den Reaktor durch Transpiration in zudosiertem Stickstoff. Der Reaktor-Kühler-Reihe-Abschnitt bestand aus einem Reaktor, wo das Keten und Acetaldehyd reagierte, einem wassergekühlten Kühler, um kondensierbare Flüssigkeit in den Reaktor zurückzuführen, und einem Aceton/festes Kohlendioxid-Kühler und einer Falle (Falle C), um die Hauptmasse des Vinylacetats, verdampfte Essigsäure und nicht umgesetztes Acetaldehyd zu sammeln. Das Skrubbersystem enthielt einen Wasserskrubber für den Abbau von Keten und einen Analysenskrubber, welcher Essigsäure für die Quantifizierung von Keten und für das Einfangen und die Quantifizierung von jeglichem nicht durch die Falle C des Reaktor-Kühler-Reihe-Abschnitts eingefangenem Vinylacetat oder Acetaldehyd.produced crude ketene by acetic anhydride pyrolysis and provided rapid separation of the ketene from the bulk of the byproduct acetic acid and unreacted acetic anhydride. The ketene purification section consisted of a defogging trap (trap A) maintained at 0ºC and a trap (trap B) initially maintained at -78ºC for the initial condensation and subsequent distillation of purified ketene to the ketene trap/evaporator section. The ketene trap/evaporator section served as a reservoir for purified ketene and also provided for the metered feed of ketene to the reactor. The ketene trap/evaporator section was maintained at -78ºC for the collection of distilled ketene from trap B and its subsequent feed to the reactor by transpiration in metered nitrogen. The acetaldehyde purification and feed section consisted of a graduated cylinder from which acetaldehyde could be distilled and a trap/evaporator section maintained at -20ºC for collecting the distilled acetaldehyde and then feeding it to the reactor by transpiration in metered nitrogen. The reactor cooler series section consisted of a reactor where the ketene and acetaldehyde reacted, a water cooled cooler to return condensable liquid to the reactor and an acetone/solid carbon dioxide cooler and trap (trap C) to collect the bulk of the vinyl acetate, vaporized acetic acid and to collect unreacted acetaldehyde. The scrubber system included a water scrubber for the degradation of ketene and an analytical scrubber which used acetic acid for the quantification of ketene and for the capture and quantification of any vinyl acetate or acetaldehyde not captured by Trap C of the reactor-cooler bank section.
Die Vorrichtung wurde so konstruiert, dass die Reaktanten den Reaktor als eine Option umgehen konnten. Die Vorrichtung wies auch eine Vorkehrung für einen kontinuierlichen Stickstoffstrom auf, um eine Rückdiffusion von Skrubberfluiden oder Verunreinigung durch Luft zu verhindern. Einzelheiten über die Konstruktion jedes Abschnitts der Vorrichtung, wie diese verbunden sind, und den Betrieb der Vorrichtung sind untenstehend beschrieben.The apparatus was designed so that the reactants could bypass the reactor as an option. The apparatus also had a provision for a continuous flow of nitrogen to prevent back diffusion of scrubber fluids or contamination by air. Details of the construction of each section of the apparatus, how they are connected, and the operation of the apparatus are described below.
In dem Gaszuführabschnitt wurden dosierte Stickstoffgasströme durch vier Tylan®-Massenströmungsreguliervorrichtungen vom Modell FC-260 vorgesehen. Dosierte Stickstoffgase wurden durch 4 Gasleitungen L1 bis L4 zugeführt, und jede Gasleitung wurde an eine Wasser enthaltende Druckausgleichsäule über ein T-Stück angeschlossen, um eine zufällige Überdruckbildung zu verhindern. Zwei dieser Gasleitungen, L1 und L3, sahen bei der Vorrichtung eine Stickstoffspülung vor. L1 sorgte für eine Stickstoffspülung bei der Essigsäureanhydrid- Pyrolyseeinheit, und L3 sorgte für eine Stickstoffspülung für den Rest der Vorrichtung an einem über ein T-Stück an der untenstehend beschriebenen Keten-Falle/Verdampfer- Ablaßleitung angeschlossenen Punkt. Die Gasleitungen L2 und L4 wurden verwendet, um Keten bzw. Acetaldehyd aus dem Keten-Falle/Verdampfer-Abschnitt bzw. dem Acetaldehyd- Falle/Verdampfer-Abschnitt durch Transpiration zuzudosieren.In the gas supply section, metered nitrogen gas flows were provided by four Tylan® Model FC-260 mass flow regulators. Metered nitrogen gases were supplied by 4 gas lines L1 through L4, and each gas line was connected to a water-containing pressure equalization column via a tee to prevent accidental overpressurization. Two of these gas lines, L1 and L3, provided nitrogen purge to the device. L1 provided nitrogen purge to the acetic anhydride pyrolysis unit, and L3 provided nitrogen purge to the rest of the device at a point connected via a tee to the ketene trap/evaporator vent line described below. Gas lines L2 and L4 were used to dose ketene and acetaldehyde from the ketene trap/evaporator section and the acetaldehyde trap/evaporator section, respectively, by transpiration.
In dem Keten-Erzeugungsabschnitt wurde Keten durch das von Fisher et al. in J. Org. Chem., 18, 1055-1057 (1953), beschriebene Verfahren durch die Pyrolyse von Essigsäureanhydrid bei geringfügigen Modifizierungen erzeugt (obwohl die Essigsäure-Pyrolyse die bevorzugte industrielle Route für Keten ist, ist sie allgemein im Labormaßstab nicht praktikabel.) Die Essigsäureanhydridzufuhr erfolgte durch eine Harvard-Vorrichtung, eine Spritzinfusionspumpe, Modell 22. Das Essigsäureanhydrid wurde in den Oberteil eines vertikalen Quartz- Verdampfer/Pyrolyse-Rohrs mit 107 cm Länge und 25 mm Außendurchmesser zusammen mit durch die Leitung L1 zudosiertem Stickstoff zugeführt. Eine elektrische Temperaturregulierung für das Verdampfer/Pyrolyse-Rohr und eine Überwachung wurden durch ein Dow Camile®-Steuersystem, das an der Schnittstelle mit einem Gateway-Modell 2000 486DX/33- Computer angeschlossen war, bereitgestellt. Das Verdampfer/Pyrolyse-Rohr wurde in einem Abstand von 27 cm von der Oberseite eingekerbt und enthielt ein Quartz-Thermopaar von 9 cm Außendurchmesser, das sich gut über zwei Drittel der Länge des Reaktors von oben nach unten erstreckte. Der Teil des Verdampfer/Pyrolyse-Rohrs, welcher sich 22 cm aufwärts von den Einkerbungen erstreckte, enthielt ebenfalls Quartzchips und wurde mit einem auf 200ºC einregulierten Heizband erwärmt. Der untere Abschnitt des Verdampfer/Pyrolyse-Rohrs wurde durch zwei auf 520ºC einregulierte Heizbänder erhitzt. Die Lösch-Kühleinrichtung unter dem Verdampfer/Pyrolyse-Rohr wurde durch Zirkulierenlassen von Methanol, das in einem Aceton/festes Kohlendioxid-Bad gekühlt wurde, auf etwa -55ºC gehalten. Die Mischung aus der Quench-Kühleinrichtung wurde nacheinander durch zwei identische Zyklone mit den Abmessungen 16 mm Außendurchmesser an der Oberseite und 80 mm von der Oberseite des Zyklonkörpers zu der Unterseite des spitz zulaufenden Abschnitts geleitet. Die Einlaß- und Auslassleitungen des Zyklons wiesen 2 mm Innendurchmesser auf, und die Flüssigkeit aus dem unteren Teil der Zyklonanordnung wurde in eine 1-Liter-Flasche abgelassen. Das Gasverdrängungsrohr (10 mm Außendurchmesser), welches den Abzugskolben mit der Zyklonanordnung verbindet, wurde gebogen, um für eine Flüssigversiegelung zu sorgen. Der vernebelte Dampf aus der Keten-Erzeuger-Zyklonanordnung wurde danach zu dem Keten- Reinigungsabschnitt geleitet.In the ketene generation section, ketene was produced by the pyrolysis of acetic anhydride by the process described by Fisher et al. in J. Org. Chem., 18, 1055-1057 (1953) with minor modifications (although acetic pyrolysis is the preferred industrial route for ketene, it is generally not practical on a laboratory scale). Acetic anhydride feed was provided by a Harvard apparatus, Model 22 syringe infusion pump. The acetic anhydride was fed into the top of a vertical quartz evaporator/pyrolysis tube, 107 cm long and 25 mm OD, along with nitrogen metered in through line L1. Electrical temperature control for the evaporator/pyrolysis tube and monitoring were provided by a Dow Camile® control system interfaced with a Gateway Model 2000 486DX/33- Computer. The evaporator/pyrolysis tube was notched 27 cm from the top and contained a 9 cm OD quartz thermocouple extending well over two-thirds of the length of the reactor from top to bottom. The portion of the evaporator/pyrolysis tube extending 22 cm up from the notches also contained quartz chips and was heated with a heater band set at 200ºC. The lower section of the evaporator/pyrolysis tube was heated by two heater bands set at 520ºC. The quench cooler beneath the evaporator/pyrolysis tube was maintained at about -55ºC by circulating methanol cooled in an acetone/solid carbon dioxide bath. The mixture from the quench cooler was passed sequentially through two identical cyclones measuring 16 mm OD at the top and 80 mm from the top of the cyclone body to the bottom of the tapered section. The cyclone inlet and outlet pipes were 2 mm ID and the liquid from the bottom of the cyclone assembly was drained into a 1 liter bottle. The gas displacement tube (10 mm OD) connecting the discharge piston to the cyclone assembly was bent to provide a liquid seal. The atomized vapor from the ketene generator cyclone assembly was then passed to the ketene purification section.
In dem Keten-Reinigungsabschnitt strömte der ketenhaltige Dampf durch eine auf 0ºC gehaltene Entnebelungsfalle (Falle A), um einen Teil des/der mitgeführten Essigsäureanhydrids/Essigsäure zu entfernen. Der aus der Falle A austretende ketenhaltige Strom wurde danach zu einer auf -78ºC gehaltenen Falle (Falle B) weitergeleitet, wo das Keten kondensierte. Die Auslassleitung der Falle B führte zu einem Dreiweg-Absperrhahn (SC1). In einer Position entlüftete SC 1 überschüssige ketenhaltige Dämpfe aus der Falle B zu einer über ein T-Stück mit dem Wasserskrubber verbundenen Leitung. In einer anderen Position leitete SC1 die ketenhaltigen Dämpfe zu der Keten-Einlaßleitung einer Keten-Falle/Verdampfer- Anordnung.In the ketene cleaning section, the ketene-containing vapor passed through a defogging trap (trap A) maintained at 0ºC to remove a portion of the entrained acetic anhydride/acetic acid. The ketene-containing stream exiting trap A was then directed to a trap (trap B) maintained at -78ºC where the ketene condensed. The outlet line of trap B led to a three-way stopcock (SC1). In one position, SC1 vented excess ketene-containing vapors from trap B to a line connected to the water scrubber via a tee. In another position, SC1 directed the ketene-containing vapors to the ketene inlet line of a ketene trap/evaporator assembly.
Die Keten-Falle/Verdampfer-Anordnung war eine modifizierte zweiteilige 32 · 200 mm- Vakuumfalle, wobei der untere Teil der Falle auf 19 mm Außendurchmesser verengt war und sich um weitere 100 mm verlängerte. Ein Gaseinlassrohr mit 7 mm Außendurchmesser/2 mm Innendurchmesser erstreckte sich längs des Außenkörpers der Keten-Falle/Verdampfer- Anordnung und war mit dem unteren Teil des erweiterten Rohrabschnitts verbunden. Das Gaseinlassrohr war mit der Stickstoff-Dosierleitung L2, die einen Absperrhahn (SC2) beinhaltete, verbunden. Der Zweck von SC2 war die Verhinderung einer Diffusion von Keten in die Leitung L2, wenn kein Stickstoff während des Keten-Erzeugungsverfahrens hindurchströmte und wenn die Keten-Falle/Verdampfer gerade beschickt wurde. Die Keten-Einlaßleitung war das normale innere Rohr mit einem Außendurchmesser von 10 mm, wie es bei der standardmäßigen Vakuumfallenkonstruktion vorzufinden ist. Die Keten-Falle/Verdampfer- Ablaßleitung war das normale seitliche Rohr von 10 mm Außendurchmesser, wie es bei der standardmäßigen Vakuumfallenkonstruktion anzutreffen ist. Die Keten-Falle/Verdampfer- Ablaßleitung war über ein T-Stück mit der Stickstoff-Spülleitung L3 verbunden. Nach dem Verbinden durch ein T-Stück, um die Leitung L3 zu spülen, wurde die Keten-Falle/- Verdampfer-Leitung mit einem Dreiweg-Absperrhahn SC3 verbunden. Weitere Anschlüsse an SC3 sind später nachstehend beschrieben.The ketene trap/evaporator assembly was a modified two-piece 32 x 200 mm vacuum trap, with the lower part of the trap narrowed to 19 mm OD and extended by a further 100 mm. A 7 mm OD/2 mm ID gas inlet tube extended along the outer body of the ketene trap/evaporator assembly and was connected to the lower part of the extended tube section. The Gas inlet pipe was connected to the nitrogen dosing line L2 which included a stopcock (SC2). The purpose of SC2 was to prevent diffusion of ketene into the line L2 when no nitrogen was flowing through it during the ketene generation process and when the ketene trap/evaporator was being fed. The ketene inlet pipe was the normal 10 mm OD inner pipe found in the standard vacuum trap design. The ketene trap/evaporator drain pipe was the normal 10 mm OD side pipe found in the standard vacuum trap design. The ketene trap/evaporator drain pipe was connected to the nitrogen purge line L3 via a tee. After connecting through a tee to purge the line L3, the ketene trap/evaporator line was connected to a three-way stopcock SC3. Additional connections to SC3 are described later below.
Der Acetaldehyd-Reinigungs- und der Zuführabschnitt enthielt eine Acetaldehyd-Falle/- Verdampfer-Anordnung mit identischer Bauart wie die Keten-Falle/Verdampfer-Anordnung, mit der Ausnahme, dass sie von einem Mantel für flüssiges Kühlmittel umgeben war, welches wiederum durch eine Vakuumhülle eingeschlossen war. Die Leitung L4 lieferte zudosierten Stickstoff in das Acetaldehyd-Falle/Verdampfer-Gaseinlaßrohr. Die Acetaldehyd-Falle/- Verdampfer-Einlaßleitung ermöglichte die Einführung von aus einem Meßzylinder destillierten Acetaldehyd. Die Acetaldehyd-Falle/Verdampfer-Ablaßleitung war mit dem Dreiweg- Absperrhahn SC4 verbunden. Weitere Verbindungen mit SC4 sind später nachstehend beschrieben.The acetaldehyde purification and feed section contained an acetaldehyde trap/evaporator assembly of identical design to the ketene trap/evaporator assembly, except that it was surrounded by a jacket for liquid coolant, which in turn was enclosed by a vacuum envelope. Line L4 supplied metered nitrogen to the acetaldehyde trap/evaporator gas inlet tube. The acetaldehyde trap/evaporator inlet line allowed the introduction of acetaldehyde distilled from a graduated cylinder. The acetaldehyde trap/evaporator drain line was connected to three-way stopcock SC4. Additional connections to SC4 are described later below.
Die Reaktor-Kühler-Reihe enthielt einen Reaktor, einen Rückflußkühler und einen Aceton/festes Kohlendioxid-Kühler. Einzelheiten des Reaktoraufbaus sind in den einzelnen Beispielen angegeben. Die Reaktanten gelangten über die Leitung L6 in den Reaktor. Der obere Teil jedes Reaktors war in den wassergekühlten Rückflußkühler eingesteckt, um für die Rückführung von kondensierbaren Flüssigkeiten in den Reaktor zu sorgen. Der obere Teil des Rückflußkühlers war mit einem Aceteon/festes Kohlendioxid-Kühler verbunden. In dem Aceton/festes Kohlendioxid-Kühler kondensierendes Material wurde nicht in den Reaktor zurückgeführt, sondern in einem Fallenkolben (Falle C), der an dem unteren Teil des Kühler angebracht war, gesammelt. Die Falle C enthielt tert-Butylhydrochinon (TBHQ), etwa 40 mg) Polymerisationsinhibitor, und die Falle C wurde ebenfalls mit festem Kohlendioxid gekühlt gehalten. Der grössere Teil des Vinylacetats war in Falle C zusammen mit dem größten Teil des nicht umgesetzten Acetaldehyds zu finden. Aus dem Reaktor verdampfende Essigsäure war in Falle C zu finden. Der Ablaß des Aceton/festes Kohlendioxid-Kühlers war an die Reaktor-Kühler-Reihe-Ablaßleitung L7 angeschlossen.The reactor-condenser series included a reactor, a reflux condenser, and an acetone/solid carbon dioxide condenser. Details of the reactor design are given in the individual examples. The reactants entered the reactor via line L6. The top of each reactor was plugged into the water-cooled reflux condenser to provide for the return of condensable liquids to the reactor. The top of the reflux condenser was connected to an acetone/solid carbon dioxide condenser. Material condensing in the acetone/solid carbon dioxide condenser was not returned to the reactor but was collected in a trap flask (trap C) attached to the bottom of the condenser. Trap C contained tert-butylhydroquinone (TBHQ), about 40 mg) polymerization inhibitor, and trap C was also kept cooled with solid carbon dioxide. The majority of the vinyl acetate was in trap C along with most of the of unreacted acetaldehyde. Acetic acid evaporating from the reactor was found in trap C. The acetone/solid carbon dioxide cooler drain was connected to the reactor cooler series drain line L7.
Das Skrubbersystem enthielt einen Wasserskrubber für den Abbau von Keten und einen Analysenskrubber, welcher Essigsäure für die Quantifizierung von Keten (als Essigsäureanhydrid) und für das Einfangen und die Quantifizierung von Vinylacetat oder Acetaldehyd, das nicht durch die Falle C des Reaktor-Kühler-Reihe-Abschnitts eingefangen wurde, enthielt. Die Essigsäure (etwa 60 ml) in dem Analysenskrubber enthielt auch TBHQ (etwa 40 mg) Polymerisationsinhibitor. Das Analysenskrubberfluid wurde durch eine Masterflex®- Peristaltikpumpe zirkuliert. Ein Absperrhahn am Unterteil des Analysenskrubbers sorgte für die Abführung des Skrubberfluids für die Analyse, und ein Claisen-Adapter an der Oberseite des Analysenskrubbers ermöglichte die Zusetzung von frischem Skrubberfluid. Ein Aceton/- festes Kohlendioxid-Kühler war mit dem Oberteil des vertikalen Arms des Claisen-Adapters verbunden, um den Verlust an Skrubberfluiden zu verhindern. Der Zugang zu dem Skrubbersystem wurde durch einen Dreiweg-Absperrhahn SC5 ermöglicht. In einer Position schickte SC5 Dampfströme zu dem Wasserskrubber, und in einer anderen Position schickte SC5 Dampfströme zu dem Analysenskrubber.The scrubber system included a water scrubber for ketene degradation and an analytical scrubber containing acetic acid for ketene quantification (as acetic anhydride) and for capturing and quantifying vinyl acetate or acetaldehyde not captured by Trap C of the reactor-cooler bank section. The acetic acid (approximately 60 mL) in the analytical scrubber also contained TBHQ (approximately 40 mg) polymerization inhibitor. The analytical scrubber fluid was circulated by a Masterflex® peristaltic pump. A stopcock on the bottom of the analytical scrubber allowed for the removal of the scrubber fluid for analysis and a Claisen adapter on the top of the analytical scrubber allowed for the addition of fresh scrubber fluid. An acetone/solid carbon dioxide cooler was connected to the top of the vertical arm of the Claisen adapter to prevent loss of scrubbing fluids. Access to the scrubbing system was provided by a three-way stopcock SC5. In one position, SC5 sent vapor streams to the water scrubber, and in another position, SC5 sent vapor streams to the analytical scrubber.
Die sieben Hauptabschnitte waren durch eine Reihe von Verbindungsleitungen, T-Stücken und Absperrhähnen miteinander verbunden. Der Dreiweg-Absperrhahn SC3 verband die Ketenfalle/Verdampfer-Abflußleitung an dem Punkt hinter dem L3-Spülungs-T-Stück mit dem Dreiweg-Absperrhahn SC4 über die Leitung L5 oder mit der Reaktor-Umgehungsleitung. Der Dreiweg-Absperrhahn SC4 verband die Leitung L5 mit der Acetaldehyd-Falle/Verdampfer- Ablaßleitung und mit der Reaktor-Kühler-Reihe-Einlaßleitung L6. Die mit SC3 verbundene Umgehungsleitung war über ein T-Stück mit der Reaktor-Kühler-Reihe-Ablaßleitung L7 verbunden und der andere Arm des T-Stücks war mit SC5 verbunden. SC5 leitete den Gassstrom von der Reaktor-Kühle-Reihe-Ablaßleitung L7 oder von der Umgehungsleitung zu dem Wasserskrubber oder zu dem Analysenskrubber, wie obenstehend erwähnt. Eine Beschreibung des Betriebs der Vorrichtung folgt.The seven main sections were connected by a series of connecting lines, tees and stopcocks. Three-way stopcock SC3 connected the ketene trap/evaporator drain line at the point behind the L3 purge tee to three-way stopcock SC4 via line L5 or to the reactor bypass line. Three-way stopcock SC4 connected line L5 to the acetaldehyde trap/evaporator drain line and to the reactor cooler bank inlet line L6. The bypass line connected to SC3 was connected to the reactor cooler bank drain line L7 via a tee and the other arm of the tee was connected to SC5. SC5 directed the gas flow from the reactor coolant bank vent line L7 or from the bypass line to the water scrubber or to the analysis scrubber as mentioned above. A description of the operation of the device follows.
Essigsäureanhydrid (600 ml/min) und Stickstoff (25 Standardkubikzentimeter pro Minute, SCCM) wurde über L1 in den Keten-Erzeugungsabschnitt 20 Minuten lang eingespeist, und das Produkt wurde in der auf -78ºC gehaltenen Falle B durch ein Aceton/festes Kohlendioxid-Bad in der Keten-Reinigungsabschnitt gekühlt. Während des Keten-Erzeugungs-/Kondensationsverfahrens wurden die Falle B verlassende Entlüftungsgase durch SC 1 zu der Keten-Falle/Verdampfer-Anordnung und danach zu dem Wasserskrubber über den Absperrhahn SC3, die Umgehungsleitung und SC5 strömen gelassen. Der Absperrhahn SC2 war während des Keten-Erzeugungsverfahrens geschlossen, und die Keten-Falle/Verdampfer-Anordnung wurde auf -78ºC gehalten. Während des Keten-Erzeugungsverfahrens, des Keten-Reinigungsverfahrens und zu allen anderen Zeitpunkten, da keine Reaktanten zu dem Reaktor strömten, strömte eine Stickstoffspülung (25 SCCM) durch die Leitung L3. Das -78ºC-Bad wurde danach aus der Falle B entfernt und das flüssige Keten wurde danach verdampfen gelassen und in der Keten-Falle/Verdampfer-Anordnung kondensieren gelassen. Der Verdampfungsprozess, welcher etwa 1 Stunde dauerte, lieferte ungefähr 30 ml reines flüssiges Keten- Kondensat in der Keten-Falle/Verdampfer. Der Absperrhahn SC1 wurde anschließend umgelegt, um die Keten-Falle/Verdampfer-Anordnung von den Keten-Erzeugungs- und Reinigungsabschnitten zu trennen, und ließ die Keten-Erzeugungs- und Reinigungsabschnitte verlassenden Dämpfe in den Wasserskrubber einströmen.Acetic anhydride (600 ml/min) and nitrogen (25 standard cubic centimeters per minute, SCCM) were fed via L1 into the ketene generation section for 20 minutes and the product was precipitated in trap B maintained at -78ºC through an acetone/solid carbon dioxide bath. in the ketene purification section. During the ketene generation/condensation process, vent gases leaving trap B were flowed through SC1 to the ketene trap/evaporator assembly and then to the water scrubber via stopcock SC3, bypass line and SC5. Stopcock SC2 was closed during the ketene generation process and the ketene trap/evaporator assembly was maintained at -78°C. During the ketene generation process, the ketene purification process and at all other times when no reactants were flowing to the reactor, a nitrogen purge (25 SCCM) flowed through line L3. The -78°C bath was then removed from trap B and the liquid ketene was then allowed to evaporate and condense in the ketene trap/evaporator assembly. The evaporation process, which lasted approximately 1 hour, yielded approximately 30 mL of pure liquid ketene condensate in the ketene trap/evaporator. The shut-off valve SC1 was then turned over to isolate the ketene trap/evaporator assembly from the ketene generation and purification sections and allowed the vapors leaving the ketene generation and purification sections to flow into the water scrubber.
Die Acetaldehyd-Falle/Verdampfer-Anordnung wurde durch Einfüllen von Acetaldehyd von Reagensqualität in einen Meßzylinder und anschließendes Destillieren des Acetaldehyds mit einem warmen Wasserbad in die auf -20ºC gehaltene Acetaldehyd-Falle/Verdampfer-Anordnung geladen. Während der Acetaldehyd-Beschickungsprozedur wurde kein Gas durch L4 geleitet, und die Acetaldehyd-Falle/Verdampfer-Ablaßleitung wurde zu dem Wasserskrubber durch SC4, SC3 und SC5 hin geöffnet, wobei Stickstoff (25 SCCM) durch L3 strömte.The acetaldehyde trap/evaporator assembly was loaded by filling reagent grade acetaldehyde into a graduated cylinder and then distilling the acetaldehyde using a warm water bath into the acetaldehyde trap/evaporator assembly maintained at -20ºC. During the acetaldehyde loading procedure, no gas was passed through L4 and the acetaldehyde trap/evaporator drain line was opened to the water scrubber through SC4, SC3 and SC5 with nitrogen (25 SCCM) flowing through L3.
Mit der Reaktant-Dosierung wurde durch Öffnen von SC2 und Einspeisen von Stickstoff (88 SCCM) in das Keten-Falle/Verdampfer-Gaseinlaßrohr durch die Leitung L2 begonnen unter Halten der Keten-Falle/Verdampfer-Anordnung auf -78ºC. Diese Bedingungen lieferten 0,7 mMol Keten/min. Stickstoff (118 SCCM) wurde in das Acetaldehyd-Falle/Verdampfer- Gaseinlaßrohr durch die Leitung L4 unter Halten der Acetaldehyd-Falle/Verdampfer- Anordnung auf -20ºC eingespeist. Diese Bedingungen lieferten 1,0 mMol Acetaldehyd/min. Die Absperrhähne SC3 und SC4 waren so positioniert, dass alle drei Austrittsöffnungen jedes Absperrhahns geöffnet waren, und SC5 war so positioniert, dass eine Entlüftung zum Wasserskrubber ermöglicht wurde. Bei einer derartigen Position der Absperrhähne strömten die Reaktanten und Verdünnungsgase durch die Umgehungsleitung, und es kam zu keiner Strömung in den Reaktor, weil der Druckabfall über den Reaktor größer war als der Druckabfall über die Umgehungsleitung. Der Spülungsstickstoff in Leitung L3 wurde anschließend abgestellt, und der Zugang in die Umgehungsleitung wurde durch Umlegen von SC3 blockiert, um den Stickstoff/Keten-Strom zu SC4 über die Leitung L5 zu leiten, wo er sich mit dem Stickstoff/Acetaldehyd-Strom vermischte und weiter in die Reaktor-Kühler-Reihe über die Leitung L6 strömte. Zu diesem Zeitpunkt war der Absperrhahn SC5 so positioniert, dass die aus der Reaktor-Kühler-Reihe abgelassenen Dämpfe zu dem Essigsäure-Analysenskrubber geschickt wurden. Der Reaktorerhitzer wurde ebenfalls zu diesem Zeitpunkt zugeschaltet. Die Umsetzungen wurden normalerweise mehrere Stunden lang jeden Tag durchgeführt, und die zur Erwärmung des Reaktors erforderliche Zeit (etwa 20 Minuten) war normalerweise kurz im Vergleich zu der Gesamtzeit, während welcher der Reaktor erwärmt wurde. Die Umsetzung wurde beendet durch Öffnen von SC3, um alle Ströme in die Umgehungsleitung einströmen zu lassen, Umschalten von SC5 auf den Wasserskrubber, Unterbrechen des Stickstoffstroms in L2 und L4, Schließen von SC2, Wiedereinströmenlassen des Spülungsstickstoffs in L3 und Unterbrechen der Wärmezufuhr in den Reaktor. Die kondensierte Flüssigkeit in Falle C der Reaktor-Kühler-Reihe wurde abgeführt, gewogen und analysiert. Der Essigsäure-Analysenskrubber wurde über Nacht sich erwärmen gelassen, und die Skrubberlösung wurde anschließend abgezogen, gewogen und analysiert. Normalerweise wurden die Umsetzungen mehrere Tage lang auf diese Weise durchgeführt, bevor die Katalysatorcharge geändert wurde. Als die Katalysatorlösung (der Reaktorrückstand) aus dem Flüssigphasenreaktor abgeführt wurde, wurde sie gewogen und analysiert. Als der Katalysator aus dem einen unlöslichen festen Katalysator enthaltenden Reaktor abgeführt wurde, wurde die in dem unteren Teil des Reaktors verbleibende Flüssigkeit (der Reaktorrückstand) gewogen und analysiert.Reactant dosing was started by opening SC2 and feeding nitrogen (88 SCCM) into the ketene trap/vaporizer gas inlet tube through line L2 while maintaining the ketene trap/vaporizer assembly at -78ºC. These conditions provided 0.7 mmol ketene/min. Nitrogen (118 SCCM) was fed into the acetaldehyde trap/vaporizer gas inlet tube through line L4 while maintaining the acetaldehyde trap/vaporizer assembly at -20ºC. These conditions provided 1.0 mmol acetaldehyde/min. Stopcocks SC3 and SC4 were positioned so that all three outlet ports of each stopcock were open and SC5 was positioned to allow venting to the water scrubber. With the stopcocks in this position, the reactants and diluent gases flowed through the bypass line and there was no flow into the reactor because the pressure drop across the reactor was greater than the pressure drop via the bypass line. The purge nitrogen in line L3 was then turned off and access to the bypass line was blocked by turning SC3 to direct the nitrogen/ketene stream to SC4 via line L5 where it mixed with the nitrogen/acetaldehyde stream and continued into the reactor cooler bank via line L6. At this time, stopcock SC5 was positioned to send vapors vented from the reactor cooler bank to the acetic acid analysis scrubber. The reactor heater was also turned on at this time. The reactions were typically run for several hours each day and the time required to heat the reactor (about 20 minutes) was typically short compared to the total time the reactor was heated. The reaction was terminated by opening SC3 to allow all streams to flow into the bypass line, switching SC5 to the water scrubber, stopping nitrogen flow in L2 and L4, closing SC2, reintroducing purge nitrogen into L3, and stopping heat to the reactor. The condensed liquid in trap C of the reactor cooler series was drained, weighed, and analyzed. The acetic acid analysis scrubber was allowed to warm overnight, and the scrubber solution was then drained, weighed, and analyzed. Typically, reactions were run in this manner for several days before the catalyst charge was changed. When the catalyst solution (the reactor residue) was drained from the liquid phase reactor, it was weighed and analyzed. When the catalyst was drained from the reactor containing insoluble solid catalyst, the liquid remaining in the lower part of the reactor (the reactor residue) was weighed and analyzed.
Aus der Falle C der Reaktor-Kühler-Reihe erhaltene Produkte, Essigsäure-Skrubberlösung und Reaktorrückstand wurden durch Gaschromatographie unter Einsatz von Hewlett Packard- Gaschromatographen vom Modell 5890 unter Verwendung von Flammenionisationsdetektoren analysiert. Vinylacetat, Acetaldehyd und Essigsäure wurden unter Verwendung einer 25 m · 0,53 mm-FFAP-Kapillarsäule (1,0 Mikrometer Filmdicke), die auf 40ºC für 5 Minuten, 15ºC/min bis 235ºC und Halten auf 235ºC für 1,67 Minuten programmiert war, analysiert. Essigsäureanhydrid und Ethylidendiacetat wurden unter Einsatz einer 30 m · 0,53 mm DB-5- Kapillarsäule (1,5 Mikrometer Filmdicke) auf 40ºC für 8 Minuten, 7ºC/min bis 200ºC mit einer Haltezeit von 0 Minuten auf 200ºC programmiert. Mischungen wurden für die Gas- Chromatographie-Analyse durch Zusetzen von 5 ml einer Tetrahydrofuranlösung, die 2% Decan vom internen Standard enthielt, zu einer genau abgewogenen 1-g-Probe des Reaktionsprodukts hinzugesetzt.Products obtained from trap C of the reactor-cooler series, acetic acid scrubber solution and reactor residue were analyzed by gas chromatography using Hewlett Packard Model 5890 gas chromatographs using flame ionization detectors. Vinyl acetate, acetaldehyde and acetic acid were analyzed using a 25 m x 0.53 mm FFAP capillary column (1.0 micron film thickness) programmed to 40ºC for 5 minutes, 15ºC/min to 235ºC and hold at 235ºC for 1.67 minutes. Acetic anhydride and ethylidene diacetate were analyzed using a 30 m x 0.53 mm DB-5 capillary column (1.5 micron film thickness) programmed to 40ºC for 8 minutes, 7ºC/min to 200ºC with a hold time of 0 minutes at 200ºC. Mixtures were prepared for gas chromatography analysis by adding 5 ml of a tetrahydrofuran solution containing 2% Decane from the internal standard was added to an accurately weighed 1 g sample of the reaction product.
In den nachstehenden Beispielen ist die prozentmäßige Ausbeute an Vinylacetat als das 100- fache der hergestellten Mole an Vinylacetat, geteilt durch die Mole des zugeführten Ketens, definiert.In the examples below, the percent yield of vinyl acetate is defined as 100 times the moles of vinyl acetate produced divided by the moles of ketene fed.
Dieses Beispiel veranschaulicht das Verfahren der Erfindung, welches mit der Essigsäureanhydrid-Lösungsmittel und p-Toluolsulfonsäure-Katalysator enthaltenden Reaktorzone bei 150ºC und einem Druck von 1 bar (100 kPa) absolut durchgeführt wurde. Das Beispiel veranschaulicht auch Bedingungen, die hohe Ausbeuten an Vinylacetat liefern ohne die Erzeugung von Essigsäure, nachdem ein stabiler bzw. stationärer Zustand erreicht wurde (Beispiele 1.2 bis 1.4). Der Reaktor war eine an einem Ende versiegelte Röhre von 36 mm Außendurchmesser · 175 mm Länge. Der Reaktor wurde senkrecht mit dem offenen Ende nach oben montiert. Der Reaktor wurde mit Essigsäureanhydrid (65,8 g, 0,645 Mol), p-Toluolsulfonsäuremonohydrat (5,8 g, 0,0306 Mol) und TBHQ (140 mg, 0,84 mMol) Polymerisationsinhibitor beladen. Das Reaktionsrohr wurde in eine temperaturgeregelte elektrische Heizvorrichtung gestellt. Ein Dreiweg-Claisen-Adapter wurde an das offene Ende des Reaktors angeschlossen. Ein Gaszuführrohr von 10 mm Außendurchmesser mit einem auf 1 mm Innendurchmesser ausgezogenen unteren Ende wurde durch den geraden senkrechten Arm des Claisen-Adapters eingeführt, und es erstreckte sich auf einen Bereich innerhalb von etwa 1 mm von der Reaktorbasis. Ein Übergangsrohrstück mit Gewinde am oberen Ende des senkrechten Arms des Claisen-Adapters hielt das Gaszuführrohr in Position und sorgte für eine Versiegelung. Die Reaktoreinlassleitung L6 war mit dem Gaszuführrohr verbunden. Der gekrümmte Seitenarm des Claisen-Adapters war mit der Basis des Rückflußkühlerteils der Kühlerreiheanordnung verbunden. Um die Reaktion von Beispiel Nr. 1.1 zu starten, wurde der Absperrhahn SC3 so positioniert, dass er den Zugang zu der Umgehungsleitung blockierte, wodurch Keten (0,7 mMol/min), Acetaldehyd (1,0 mMol/min) und Stickstoff (206 SCCM) zu dem Reaktor durch das Gaszuführrohr geleitet wurde, wobei das den Reaktor verlassende Gas den wassergekühlten Rückflußkühler, den mit festem Kohlendioxid/Aceton gekühlten Kühler und den TBHQ (40 mg, 0,24 mMol) enthaltenden Fallenkolben kontaktierte, und SC5 war so positioniert, dass das den festes Kohlendioxid/Aceton-Kühler verlassende Produkt zu dem Essigsäure-(die ebenfalls etwa 40 mg TBHQ enthält)-Skrubber geleitet wird, und die Heizvorrichtungstemperatur wurde auf 150ºC eingestellt. Die 150ºC-Reaktortemperatur wurde nach 20 Minuten erreicht. Die Reaktion wurde in dieser Weise insgesamt 314 Minuten lang weiterlaufen gelassen. Um die Umsetzung zu beenden, wurde SC3 so positioniert, dass die Reaktantengase durch die Reaktor-Umgehungsleitung umgeleitet werden, das Erwärmen des Reaktors wurde eingestellt, und SC5 wurde so positioniert, dass alle Gase zu dem Wasserskrubber geleitet werden. Die Gaszufuhr wurde eingestellt, und das Reaktorsystem bekam Zugang zu durch die Leitung L3 strömendem Stickstoff (25 SCCM) während der Abkühlungsperiode und stand zu allen anderen Zeitpunkten still. Die in Falle C enthaltende Flüssigkeit wurde gewogen und durch Gaschromatographie analysiert. Der Essigsäure-Skrubber wurde auf Raumtemperatur sich erwärmen gelassen und über Nacht sich entleeren gelassen. Das aus dem Essigsäure- Skrubber gewonnene Produkt wurde gewogen und durch Gaschromatographie analysiert. Die Reaktor-Rückstandslösung wurde in dem Reaktor zurückbehalten. Die Beispiele Nr. 1.2, 1.3 und 1.4 wurden durch Durchführen der Reaktion in der Weise wie in Beispiel 1.1 während der Zeiträume von 301, 300 bzw. 300 Minuten unter Verwendung derselben Reaktor- Rückstandslösung ausgeführt. Es folgen die Ausbeuten von Vinylacetat, das aus der Kühlerreihe-Falle C isoliert wurde, und die Essigsäure-Skrubberlösungen und die in Falle C enthaltenen Gew.-% an Essigsäure (Falle C Gew.-% HOAc). This example illustrates the process of the invention conducted with the reactor zone containing acetic anhydride solvent and p-toluenesulfonic acid catalyst at 150°C and a pressure of 1 bar (100 kPa) absolute. The example also illustrates conditions which provide high yields of vinyl acetate without the production of acetic acid after a steady state is reached (Examples 1.2 to 1.4). The reactor was a 36 mm OD x 175 mm long tube sealed at one end. The reactor was mounted vertically with the open end upward. The reactor was charged with acetic anhydride (65.8 g, 0.645 mol), p-toluenesulfonic acid monohydrate (5.8 g, 0.0306 mol) and TBHQ (140 mg, 0.84 mmol) polymerization inhibitor. The reaction tube was placed in a temperature controlled electric heater. A three-way Claisen adapter was connected to the open end of the reactor. A 10 mm OD gas supply tube with a lower end extended to 1 mm ID was inserted through the straight vertical arm of the Claisen adapter and extended to within about 1 mm of the reactor base. A threaded transition pipe piece at the upper end of the vertical arm of the Claisen adapter held the gas supply tube in place and provided a seal. The reactor inlet line L6 was connected to the gas supply tube. The curved side arm of the Claisen adapter was connected to the base of the reflux condenser portion of the condenser bank assembly. To start the reaction of Example No. 1.1, the stopcock SC3 was positioned to block access to the bypass line, thereby passing ketene (0.7 mmol/min), acetaldehyde (1.0 mmol/min) and nitrogen (206 SCCM) to the reactor through the gas feed tube, with the gas leaving the reactor contacting the water cooled reflux condenser, the solid carbon dioxide/acetone cooled condenser and the trap flask containing TBHQ (40 mg, 0.24 mmol), and SC5 was positioned so that the product leaving the solid carbon dioxide/acetone condenser was passed to the acetic acid (the also containing about 40 mg of TBHQ) scrubber and the heater temperature was set at 150°C. The 150°C reactor temperature was reached after 20 minutes. The reaction was allowed to continue in this manner for a total of 314 minutes. To terminate the reaction, SC3 was positioned to bypass the reactant gases through the reactor bypass line, heating of the reactor was stopped, and SC5 was positioned to direct all gases to the water scrubber. The gas supply was stopped and the reactor system was given access to nitrogen (25 SCCM) flowing through line L3 during the cool down period and was idle at all other times. The liquid contained in trap C was weighed and analyzed by gas chromatography. The acetic acid scrubber was allowed to warm to room temperature and drain overnight. The product recovered from the acetic acid scrubber was weighed and analyzed by gas chromatography. The reactor residue solution was retained in the reactor. Examples Nos. 1.2, 1.3 and 1.4 were carried out by conducting the reaction in the manner of Example 1.1 for periods of 301, 300 and 300 minutes respectively using the same reactor residue solution. Following are the yields of vinyl acetate isolated from the cooler series trap C and the acetic acid scrubber solutions and the wt% of acetic acid contained in trap C (trap C wt% HOAc).
Die von Beispiel 1.4 verbleibende Reaktor-Rückstandslösung wurde gewogen und durch Gaschromatographie analysiert. Die gewonnene Rückstandslösung (86,73 g) enthielt Acetaldehyd (0,31 Gew.-%), Vinylacetat (1,7 Gew.-%), Essigsäure (1,14 Gew.-%), Essigsäureanhydrid (57,32 Gew.-%) und EDA (28,99 Gew.-%).The reactor residue solution remaining from Example 1.4 was weighed and analyzed by gas chromatography. The recovered residue solution (86.73 g) contained acetaldehyde (0.31 wt%), vinyl acetate (1.7 wt%), acetic acid (1.14 wt%), acetic anhydride (57.32 wt%) and EDA (28.99 wt%).
Dieses Beispiel erläutert die Wirkung des Betriebs des Verfahrens von Beispiel 1 bei einer niedrigeren Temperatur. Das Beispiel erläutert ebenfalls Bedingungen, die für hohe Ausbeuten von Vinylacetat ohne die Erzeugung von Essigsäure sorgen, nachdem ein stabiler Zustand erreicht worden ist (Beispiele 2.2 bis 2.5). Dasselbe Reaktorsystem wie in Beispiel 1 verwendet kam in Beispiel 2 zum Einsatz. Das Reaktionsrohr wurde mit Essigsäureanhydrid (65,8 g, 0,645 Mol), p-Toluolsulfonsäuremonohydrat (5,8 g, 0,0306 Mol) und TBHQ (140 mg, 0,84 mMol) Polymerisationsinhibitor wie in Beispiel 1 beschickt. Der Reaktor wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1 betrieben, mit der Ausnahme, dass die Temperatur auf 140ºC eingestellt war. Die Beispiele Nr. 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 und 2.5 wurden jeweils für 300 Minuten unter Verwendung derselben Rückstandslösung durchgeführt. Die Ausbeuten des aus Falle C isolierten Vinylacetats und der Essigsäure-Skrubberlösungen und der in Falle C enthaltenen Gew.-% an Essigsäure (Falle C Gew.-% HOAc) folgen nachstehend. This example illustrates the effect of operating the process of Example 1 at a lower temperature. The example also illustrates conditions required for high yields of vinyl acetate without the generation of acetic acid after a steady state has been reached (Examples 2.2 to 2.5). The same reactor system as used in Example 1 was used in Example 2. The reaction tube was charged with acetic anhydride (65.8 g, 0.645 mol), p-toluenesulfonic acid monohydrate (5.8 g, 0.0306 mol) and TBHQ (140 mg, 0.84 mmol) polymerization inhibitor as in Example 1. The reactor was operated in the same manner as in Example 1 except that the temperature was set at 140°C. Examples Nos. 2.1, 2.2, 2.3, 2.4 and 2.5 were each run for 300 minutes using the same residue solution. The yields of vinyl acetate and acetic acid scrubbing solutions isolated from Trap C and the wt% acetic acid contained in Trap C (Trap C wt% HOAc) are given below.
Die in Beispiel 2.5 gewonnene Reaktor-Rückstandslösung wurde durch Gaschromatographie analysiert. Die gewonnene Rückstandslösung (88,18 g) enthielt Acetaldehyd (0,41 Gew.-%), Vinylacetat (1,59 Gew.-%), Essigsäure (1,03 Gew.-%), Essigsäureanhydrid (47,65 Gew.-%) und EDA (39,42 Gew.-%).The reactor residue solution obtained in Example 2.5 was analyzed by gas chromatography. The recovered residue solution (88.18 g) contained acetaldehyde (0.41 wt%), vinyl acetate (1.59 wt%), acetic acid (1.03 wt%), acetic anhydride (47.65 wt%), and EDA (39.42 wt%).
Dieses Beispiel erläutert die Wirkung des Betriebs des Verfahrens von Beispiel 1 bei einer höheren Temperatur. Das Beispiel erläutert ebenfalls Bedingungen, die für hohe Ausbeuten von Vinylacetat ohne die Erzeugung von Essigsäure sorgen, nachdem ein stabiler Zustand erreicht worden ist (Beispiele 3.2 bis 3.5). Dasselbe Reaktorsystem wie in Beispiel 1 verwendet kam in Beispiel 3 zum Einsatz. Das Reaktionsrohr wurde mit Essigsäureanhydrid (65,8 g, 0,645 Mol), p-Toluolsulfonsäuremonohydrat (5,8 g, 0,0306 Mol) und TBHQ (140 mg, 0,84 mMol) Polymerisationsinhibitor wie in Beispiel 1 beschickt. Der Reaktor wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1 betrieben, mit der Ausnahme, dass die Temperatur auf 160ºC eingestellt war. Die Beispiele Nr. 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 und 3.5 wurden jeweils für 300 Minuten unter Verwendung derselben Rückstandslösung durchgeführt. Die Ausbeuten des aus Falle C isolierten Vinylacetats und der Essigsäure-Skrubberlösungen und der in Falle C enthaltenen Gew.-% an Essigsäure (Falle C Gew.-% HOAc) folgen nachstehend. This example illustrates the effect of operating the process of Example 1 at a higher temperature. The example also illustrates conditions that provide high yields of vinyl acetate without the production of acetic acid after steady state is achieved (Examples 3.2 through 3.5). The same reactor system as used in Example 1 was used in Example 3. The reaction tube was charged with acetic anhydride (65.8 g, 0.645 mole), p-toluenesulfonic acid monohydrate (5.8 g, 0.0306 mole) and TBHQ (140 mg, 0.84 mmol) polymerization inhibitor as in Example 1. The reactor was operated in the same manner as in Example 1 except that the temperature was set at 160°C. Examples Nos. 3.1, 3.2, 3.3, 3.4 and 3.5 were each heated for 300 minutes under using the same residual solution. The yields of vinyl acetate and acetic acid scrubbing solutions isolated from Trap C and the wt% acetic acid contained in Trap C (Trap C wt% HOAc) are given below.
Die in Beispiel 3.5 gewonnene Reaktor-Rückstandslösung wurde durch Gaschromatographie analysiert. Die gewonnene Rückstandslösung (86,31 g) enthielt Acetaldehyd (0,33 Gew.-%), Vinylacetat (1,41 Gew.-%), Essigsäure (1,23 Gew.-%), Essigsäureanhydrid (56,12 Gew.-%) und EDA (28,82 Gew.-%).The reactor residue solution obtained in Example 3.5 was analyzed by gas chromatography. The recovered residue solution (86.31 g) contained acetaldehyde (0.33 wt%), vinyl acetate (1.41 wt%), acetic acid (1.23 wt%), acetic anhydride (56.12 wt%), and EDA (28.82 wt%).
Dieses Beispiel erläutert das Verfahren der Erfindung, welches mit der Reaktorzone, die N- Methyl-2-pyrrolidinon-Lösungsmittel und p-Toluolsulfonsäure-Katalysator enthielt, bei 150ºC und einem Druck von 1 bar (100 kPa) absolut bewerkstelligt wurde. Das Beispiel erläutert auch die Bedingungen, die für hohe Ausbeuten von Vinylacetat ohne die Erzeugung von Essigsäure sorgen, nachdem ein stabiler Zustand erreicht worden ist (Beispiele 4.2 bis 4.5). Dasselbe Reaktorsystem wie in Beispiel 1 verwendet kam in Beispiel 4 zum Einsatz. Das Reaktionsrohr wurde mit N-Methyl-2-pyrrolidinon (63,2 g, 0,638 Mol), p- Toluolsulfonsäuremonohydrat (5,8 g, 0,0306 Mol) und TBHQ (140 mg, 0,84 mMol) Polymerisationsinhibitor beschickt. Der Reaktor wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1 bei 150ºC betrieben. Die Beispiele Nr. 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 und 4.5 wurden jeweils für 300, 330, 300, 305 bzw. 300 Minuten unter Verwendung derselben Rückstandslösung durchgeführt. Die Ausbeuten des aus der Falle. C isolierten Vinylacetats und der Essigsäure-Skrubberlösungen und der in Falle C enthaltenen Gew.-% an Essigsäure (Falle C Gew.-% HOAc) folgen nachstehend. This example illustrates the process of the invention accomplished with the reactor zone containing N-methyl-2-pyrrolidinone solvent and p-toluenesulfonic acid catalyst at 150°C and a pressure of 1 bar (100 kPa) absolute. The example also illustrates the conditions that provide high yields of vinyl acetate without the production of acetic acid after steady state is reached (Examples 4.2 to 4.5). The same reactor system as used in Example 1 was used in Example 4. The reaction tube was charged with N-methyl-2-pyrrolidinone (63.2 g, 0.638 mol), p-toluenesulfonic acid monohydrate (5.8 g, 0.0306 mol) and TBHQ (140 mg, 0.84 mmol) polymerization inhibitor. The reactor was operated in the same manner as in Example 1 at 150°C. Examples Nos. 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 and 4.5 were run for 300, 330, 300, 305 and 300 minutes respectively using the same residue solution. The yields of vinyl acetate isolated from Trap C and the acetic acid scrubbing solutions and the wt% acetic acid contained in Trap C (Trap C wt% HOAc) follow below.
Die in Beispiel 4.5 gewonnene Reaktor-Rückstandslösung wurde durch Gaschromatographie analysiert. Die gewonnene Rückstandslösung (80,81 g) enthielt Acetaldehyd (1,04 Gew.-%), Essigsäure (1,01 Gew.-%), Essigsäureanhydrid (4,73 Gew.-%) und eine kleine Menge an EDA (1,13 Gew.-%).The reactor residue solution obtained in Example 4.5 was analyzed by gas chromatography. The recovered residue solution (80.81 g) contained acetaldehyde (1.04 wt%), acetic acid (1.01 wt%), acetic anhydride (4.73 wt%) and a small amount of EDA (1.13 wt%).
Dieses Beispiel erläutert das Verfahren der Erfindung, welches mit der Reaktorzone, die gemischtes Essigsäureanhydrid-Essigsäure-Lösungsmittel und p-Toluolsulfonsäure-Katalysator enthielt, bei 150ºC und bei einem Druck von 1 bar (100 kPa) absolut bewerkstelligt wurde. Das Beispiel erläutert auch die Bedingungen, die für hohe Ausbeuten von Vinylacetat ohne die Erzeugung von Essigsäure sorgen, nachdem ein stabiler Zustand erreicht worden ist (Beispiele 5.2 bis 5.4). Dasselbe Reaktorsystem wie in Beispiel 1 verwendet kam in Beispiel 5 zum Einsatz. Das Reaktionsrohr wurde mit Essigsäureanhydrid (59,5 g, 0,583 Mol), Essigsäure (3,7 g, 0,0616 Mol), p-Toluolsulfonsäuremonohydrat (5,8 g, 0,0306 Mol) und TBHQ (140 mg, 0,84 mMol) Polymerisationsinhibitor beschickt. Der Reaktor wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1 bei 150ºC betrieben. Die Beispiele Nr. 5.1, 5.2, 5.3 und 5.4 wurden jeweils für 340, 300, 300 bzw. 300 Minuten unter Verwendung derselben Rückstandslösung durchgeführt. Die Ausbeuten des aus der Falle C isolierten Vinylacetats und der Essigsäure-Skrubberlösungen und der in Falle C enthaltenen Gew.-% an Essigsäure (Falle C Gew.-% HOAc) folgen nachstehend. This example illustrates the process of the invention which was accomplished with the reactor zone containing mixed acetic anhydride-acetic acid solvent and p-toluenesulfonic acid catalyst at 150°C and at a pressure of 1 bar (100 kPa) absolute. The example also illustrates the conditions which provide high yields of vinyl acetate without the production of acetic acid after steady state is reached (Examples 5.2 to 5.4). The same reactor system as used in Example 1 was used in Example 5. The reaction tube was charged with acetic anhydride (59.5 g, 0.583 mole), acetic acid (3.7 g, 0.0616 mole), p-toluenesulfonic acid monohydrate (5.8 g, 0.0306 mole) and TBHQ (140 mg, 0.84 mmol) polymerization inhibitor. The reactor was operated in the same manner as in Example 1 at 150°C. Examples Nos. 5.1, 5.2, 5.3 and 5.4 were run for 340, 300, 300 and 300 minutes respectively using the same residue solution. The yields of vinyl acetate and acetic acid scrubbing solutions isolated from Trap C and the wt% acetic acid contained in Trap C (Trap C wt% HOAc) follow below.
Die in Beispiel 5.4 gewonnene Reaktor-Rückstandslösung wurde durch Gaschromatographie analysiert. Die gewonnene Rückstandslösung (80,68 g) enthielt Acetaldehyd (0,36 Gew.-%), Vinylacetat (0,71 Gew.-%), Essigsäureanhydrid (62,53 Gew.-%) und eine kleine Menge an EDA (35,7 Gew.-%).The reactor residue solution obtained in Example 5.4 was analyzed by gas chromatography. The recovered residue solution (80.68 g) contained acetaldehyde (0.36 wt%), vinyl acetate (0.71 wt%), acetic anhydride (62.53 wt%) and a small amount of EDA (35.7 wt%).
Dieses Beispiel erläutert das Verfahren der Erfindung, welches mit der Reaktorzone, die gemischtes Essigsäureanhydrid-Essigsäure-Lösungsmittel enthielt, und bei 150ºC wie bei Beispiel 5, aber mit Benzolsulfonsäure-Katalysator stattdessen bewerkstelligt wurde. Das Beispiel zeigt auch, dass der stärkere Säurekatalysator weiterhin Essigsäure erzeugt, nachdem die Vinylacetat-Ausbeute maximiert wurde (Beispiele 6.2 bis 6.4.) Dasselbe Reaktorsystem wie in Beispiel 1 verwendet kam in Beispiel 6 zum Einsatz. Das Reaktionsrohr wurde mit Essigsäureanhydrid (59,5 g, 0,583 Mol), Essigsäure (3,7 g, 0,0616 Mol), Benzolsulfonsäuremonohydrat (5,4 g, 0,0306 Mol) und TBHQ (140 mg, 0,84 mMol) Polymerisationsinhibitor beschickt. Der Reaktor wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1 bei 150ºC betrieben. Die Beispiele Nr. 6.1, 6.2, 6.3 und 6.4 wurden jeweils für 305, 300, 300 bzw. 300 Minuten unter Verwendung derselben Rückstandslösung durchgeführt. Die Ausbeuten des aus der Falle C isolierten Vinylacetats und der Essigsäure-Skrubberlösungen und der in Falle C enthaltenen Gew.-% an Essigsäure (Falle C Gew.-% HOAc) folgen nachstehend. This example illustrates the process of the invention accomplished with the reactor zone containing mixed acetic anhydride-acetic acid solvent and at 150°C as in Example 5, but with benzenesulfonic acid catalyst instead. The example also shows that the stronger acid catalyst continues to produce acetic acid after the vinyl acetate yield has been maximized (Examples 6.2 to 6.4). The same reactor system as used in Example 1 was used in Example 6. The reaction tube was charged with acetic anhydride (59.5 g, 0.583 mol), acetic acid (3.7 g, 0.0616 mol), benzenesulfonic acid monohydrate (5.4 g, 0.0306 mol), and TBHQ (140 mg, 0.84 mmol) polymerization inhibitor. The reactor was operated in the same manner as in Example 1 at 150°C. Examples Nos. 6.1, 6.2, 6.3 and 6.4 were run for 305, 300, 300 and 300 minutes respectively using the same residue solution. The yields of vinyl acetate and acetic acid scrubbing solutions isolated from Trap C and the wt% acetic acid contained in Trap C (Trap C wt% HOAc) follow below.
Die in Beispiel 6.4 gewonnene Reaktor-Rückstandslösung wurde durch Gaschromatographie analysiert. Die gewonnene Rückstandslösung (83,24 g) enthielt Vinylacetat (0,55 Gew.-%), Essigsäure (3,18 Gew.-%), Essigsäureanhydrid (58,7 Gew.-%) und EDA (33,07 Gew.-%).The reactor residue solution obtained in Example 6.4 was analyzed by gas chromatography. The recovered residue solution (83.24 g) contained vinyl acetate (0.55 wt%), acetic acid (3.18 wt%), acetic anhydride (58.7 wt%) and EDA (33.07 wt%).
Dieses Beispiel erläutert das Verfahren der Erfindung, welches mit der Reaktorzone, die gemischtes Essigsäureanhydrid-Essigsäure-Lösungsmittel enthielt, und bei 150ºC wie bei Beispiel 6, aber mit Methansulfonsäure-Katalysator stattdessen bewerkstelligt wurde. Das Beispiel zeigt auch, dass keine Essigsäure gebildet wird, wenn eine schwächere Säure verwendet wird, aber dass die Vinylacetat-Ausbeute verringert wird. Dasselbe Reaktorsystem wie in Beispiel 1 verwendet kam in Beispiel 7 zum Einsatz. Das Reaktionsrohr wurde mit Essigsäureanhydrid (59,5 g, 0,583 Mol), Essigsäure (3,7 g, 0,0616 Mol), Methansulfonsäure (2,9 g, 0,0306 Mol) und TBHQ (140 mg, 0,84 mMol) Polymerisationsinhibitor beschickt. Der Reaktor wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1 bei 150ºC betrieben. Die Beispiele Nr. 7.1, 7.2 und 7.3 wurden jeweils für 300, 300 bzw. 305 Minuten unter Verwendung derselben Rückstandslösung durchgeführt. Die Ausbeuten des aus der Falle C isolierten Vinylacetats und der Essigsäure-Skrubberlösungen und der in Falle C enthaltenen Gew.-% an Essigsäure (Falle C Gew.-% HOAc) folgen nachstehend. This example illustrates the process of the invention accomplished with the reactor zone containing mixed acetic anhydride-acetic acid solvent and at 150°C as in Example 6, but with methanesulfonic acid catalyst instead. The example also shows that no acetic acid is formed when a weaker acid is used, but that the vinyl acetate yield is reduced. The same reactor system as used in Example 1 was used in Example 7. The reaction tube was charged with acetic anhydride (59.5 g, 0.583 mole), acetic acid (3.7 g, 0.0616 mole), methanesulfonic acid (2.9 g, 0.0306 mole), and TBHQ (140 mg, 0.84 mmol) polymerization inhibitor. The reactor was operated in the same manner as in Example 1 at 150°C. Examples Nos. 7.1, 7.2 and 7.3 were run for 300, 300 and 305 minutes respectively using the same residue solution. The yields of vinyl acetate and acetic acid scrubbing solutions isolated from Trap C and the wt% acetic acid contained in Trap C (Trap C wt% HOAc) follow below.
Die in Beispiel 7.3 gewonnene Reaktor-Rückstandslösung wurde durch Gaschromatographie analysiert. Die gewonnene Rückstandslösung (75,31 g) enthielt Vinylacetat (0,91 Gew.-%), Essigsäure (1,22 Gew.-%), Essigsäureanhydrid (79,9 Gew.-%) und EDA (9,69 Gew.-%).The reactor residue solution obtained in Example 7.3 was analyzed by gas chromatography. The recovered residue solution (75.31 g) contained vinyl acetate (0.91 wt%), acetic acid (1.22 wt%), acetic anhydride (79.9 wt%) and EDA (9.69 wt%).
Dieses Beispiel erläutert das Verfahren der Erfindung, welches mit der Reaktorzone, die gemischtes Essigsäureanhydrid-Essigsäure-Lösungsmittel enthielt, und bei 150ºC wie bei Beispiel 7, aber mit Schwefelsäure-Katalysator stattdessen bewerkstelligt wurde. Das Beispiel zeigt auch, dass starke Säuren die Vinylacetat-Ausbeute verringern und Essigsäure bilden. Dasselbe Reaktorsystem wie in Beispiel 1 verwendet kam in Beispiel 8 zum Einsatz. Das Reaktionsrohr wurde mit Essigsäureanhydrid (59,5 g, 0,583 Mol), Essigsäure (3,7 g, 0,0616 Mol), 96,8% Schwefelsäure (3,1 g, 0,0306 Mol) und TBHQ (140 mg, 0,84 mMol) Polymerisationsinhibitor beschickt. Der Reaktor wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1 bei 150ºC 300 Minuten lang betrieben. Die Ausbeute des aus der Falle C isolierten Vinylacetats und des Essigsäure-Skrubbers war 12%, und die Falle C enthielt 19,28 Gew.-% Essigsäure. Ein Verstopfen des Gaszuführrohrs aufgrund der übermässigen Erzeugung von Verkohlungsmaterial verhinderte den weiteren Betrieb des Reaktors, welcher diese Rückstandslösung enthielt. Der flüssige Anteil (58,28 g) der Rückstandsmischung wurde gewonnen und enthielt Essigsäure (21, 14 Gew.-%), Essigsäureanhydrid (55,83 Gew.-%) und EDA (24,95 Gew.-%).This example illustrates the process of the invention which was accomplished with the reactor zone containing mixed acetic anhydride-acetic acid solvent and at 150°C as in Example 7, but with sulfuric acid catalyst instead. The example also shows that strong acids reduce the vinyl acetate yield and form acetic acid. The same reactor system as used in Example 1 was used in Example 8. The reaction tube was charged with acetic anhydride (59.5 g, 0.583 mole), acetic acid (3.7 g, 0.0616 mole), 96.8% sulfuric acid (3.1 g, 0.0306 mole) and TBHQ (140 mg, 0.84 mmol) polymerization inhibitor. The reactor was operated in the same manner as in Example 1 at 150°C for 300 minutes. The yield of vinyl acetate and acetic acid scrubber isolated from trap C was 12%, and trap C contained 19.28 wt.% acetic acid. Clogging of the gas feed pipe due to excessive char generation prevented further operation of the reactor containing this residue solution. The liquid portion (58.28 g) of the residue mixture was recovered and contained acetic acid (21.14 wt.%), acetic anhydride (55.83 wt.%) and EDA (24.95 wt.%).
Dieses Beispiel erläutert das Verfahren der Erfindung, welches mit der Reaktorzone, die gemischtes Essigsäureanhydrid-Essigsäure-Lösungsmittel enthielt, und bei 150ºC wie bei Beispiel 8, aber mit Phosphorsäure-Katalysator stattdessen bewerkstelligt wurde. Das Beispiel zeigt auch, dass starke Säuren die Vinylacetat-Ausbeute verringern und Essigsäure bilden. Dasselbe Reaktorsystem wie in Beispiel 1 verwendet kam in Beispiel 9 zum Einsatz. Das Reaktionsrohr wurde mit Essigsäureanhydrid (59,5 g, 0,583 Mol), Essigsäure (3,7 g, 0,0616 Mol), 85% Phosphorsäure (3,53 g, 0,0306 Mol) und TBHQ (140 mg, 0,84 mMol) Polymerisationsinhibitor beschickt. Der Reaktor wurde in derselben Weise wie in Beispiel 1 bei 150ºC 300 Minuten Lang betrieben. Die Ausbeute des aus der Falle C isolierten Vinylacetats und des Essigsäure-Skrubbers war 19%, und die Falle C enthielt 13,84 Gew.-% Essigsäure. Ein Verstopfen des Gaszuführrohrs aufgrund der übermässigen Erzeugung von Verkohlungsmaterial ermöglichte den weiteren Betrieb des Reaktors, welcher diese Rückstandslösung enthielt, für lediglich 65 Minuten. Der flüssige Anteil (72,25 g) der Rückstandsmischung wurde gewonnen und enthielt Vinylacetat (0,84 Gew.-%), Essigsäure (1,98 Gew.-%), Essigsäureanhydrid (77,55 Gew.-%) und EDA (32,78 Gew.-%).This example illustrates the process of the invention accomplished with the reactor zone containing mixed acetic anhydride-acetic acid solvent and at 150°C as in Example 8, but with phosphoric acid catalyst instead. The example also demonstrates that strong acids reduce vinyl acetate yield and form acetic acid. The same reactor system as used in Example 1 was used in Example 9. The reaction tube was charged with acetic anhydride (59.5 g, 0.583 mole), acetic acid (3.7 g, 0.0616 mole), 85% phosphoric acid (3.53 g, 0.0306 mole) and TBHQ (140 mg, 0.84 mmol) polymerization inhibitor. The reactor was operated in the same manner as in Example 1 at 150°C for 300 minutes. The yield of vinyl acetate and acetic acid scrubber isolated from Trap C was 19%, and Trap C contained 13.84 wt% acetic acid. Plugging of the gas feed tube due to excessive char generation allowed the reactor containing this residue solution to continue operating for only 65 minutes. The liquid portion (72.25 g) of the residue mixture was recovered and contained vinyl acetate (0.84 wt%), acetic acid (1.98 wt%), acetic anhydride (77.55 wt%), and EDA (32.78 wt%).
Dieses Beispiel erläutert das Verfahren der Erfindung, wobei die Reaktorzone den unlöslichen festen Säurekatalysator Amberlyst® 15 enthält und kein Lösungsmittel zugesetzt wird. Der in diesem Beispiel verwendete Glasreaktor bestand aus einem Rohr von 74 cm · 25 mm Außendurchmesser, das mit einem Permanent-Temperaturmessstutzen ausgestattet war, der sich vom Basisteil des Reaktors her erstreckte. Der Mittelteil des Reaktionsrohrs war mit einem Kühlermantel konstruiert, welcher seinerseits mit einer Vakuumhülle umgeben war, um Wärmeverlust vorzubeugen. Die Länge des ummantelten bzw. umhüllten Teils war 61 cm. Das Rohr mit 25 mm Außendurchmesser wies Einkerbungen 5 cm oberhalb der Basis des Mantels auf, um das Katalysatorbett zu stützen. Eine physikalische Mischung von Amberlyst® 15-Harz (17 ml, 10,26 g, ca. 31 mÄqu. -SO&sub3;H) und 16 · 24-Mesh-Quartzchips (50 ml) wurde hergestellt. Der untere Teil des Reaktors wurde mit 6 · 6 mm-Raschig-Ringen bis zu einer Höhe von 6 cm über den Einkerbungen befüllt, und eine 1 cm hohe Schicht von 4 · 8-Mesh- Quartzchips wurde auf die Raschig-Ringe dazugegeben. Die gesamte Mischung von Amberlyst® 15 und 16 · 24-Mesh-Quartzchips wurde danach in den Reaktor gegeben. Die Länge der Katalysator + Quartzmischung-Charge war 20 cm. Eine zusätzliche 5 cm hohe Schicht von 4 x 8-Mesh-Quartzchips wurde auf das Katalysatorbett daraufgegeben. Ein 100-ml- Doppelhalskolben war an der Unterseite des Reaktors angebracht. Die Reaktor-Einlaßleitung L6 war mit dem anderen Hals des 100-ml-Doppelhalskolbens verbunden. Der untere Teil der Rückfluß-Kühlerteil-Kühlerreihe war mit dem oberen Teil des Reaktors verbunden, um die Rückführung von kondensierbaren Flüssigkeiten in den Reaktor zu ermöglichen. Der 100-ml- Doppelhalskolben diente als Rückstandreservoir für aus dem Reaktor ausfließende Flüssigkeit. Unter den Bedingungen des Beispiels floss keine Flüssigkeit in das Rückstandsreservoir, bis die Reaktionseinspeisströme in den Reaktor nicht beendet waren. Keten, Acetaldehyd und Stickstoff wurden zu Beginn von Beispiel 10.1 in den Reaktor bei einem Druck von etwa 1 bar (100 kPa) absolut mit derselben Rate wie für Beispiel 1 eingespeist. Die Temperatur des Katalysatorbetts stieg langsam von 19,6ºC auf 83,3ºC an, worauf Dampf in den Reaktorkühlermantel abgegeben wurde. Die Katalysatorbett-Temperatur stieg weiterhin langsam auf 110,6ºC an und nahm dann langsam ab und pendelte sich bei 98,7ºC ein. Während des Verfahrens von Beispiel 10.1 wurde das Katalysatorbett langsam feucht. Die Reaktion wurde bei Beispiel 1 nach 360 Minuten beendet, worauf ein Teil der das Katalysatorbett benetzenden Flüssigkeit in das Reservoir abgeführt wurde. In den Beispielen 10.2 bis 10.5 wurde der Reaktor in derselben Weise wie in Beispiel 10.1 betrieben, mit der Ausnahme, dass eine Dampferwärmung des Reaktors eingeleitet wurde, als die Chargen zu Beginn in den Reaktor eingeführt wurden. Die Beispiele 10.2, 10.3, 10.4 und 10.5 wurden über Zeiträume von 300, 330, 300 bzw 352 Minuten unter Verwendung desselben Katalysatorbetts durchgeführt. Nachstehend sind die aus der Falle C isolierten Ausbeuten an Vinylacetat und die Essigsäure- Skrubberlösungen und die Gew.-% an Essigsäure, die in Falle C (Falle C Gew.- HOAc) enthalten sind, angegeben. This example illustrates the process of the invention wherein the reactor zone contains the insoluble solid acid catalyst Amberlyst® 15 and no solvent is added. The glass reactor used in this example consisted of a 74 cm x 25 mm OD tube equipped with a permanent temperature probe extending from the base of the reactor. The middle section of the reaction tube was constructed with a condenser jacket which in turn was surrounded by a vacuum envelope to to prevent heat loss. The length of the jacketed portion was 61 cm. The 25 mm OD tube had notches 5 cm above the base of the jacket to support the catalyst bed. A physical mixture of Amberlyst® 15 resin (17 mL, 10.26 g, ca. 31 meq -SO₃H) and 16 x 24 mesh quartz chips (50 mL) was prepared. The lower portion of the reactor was filled with 6 x 6 mm Raschig rings to a height of 6 cm above the notches and a 1 cm layer of 4 x 8 mesh quartz chips was added on top of the Raschig rings. The entire mixture of Amberlyst® 15 and 16 x 24 mesh quartz chips was then added to the reactor. The length of the catalyst + quartz mixture charge was 20 cm. An additional 5 cm layer of 4 x 8 mesh quartz chips was placed on top of the catalyst bed. A 100 mL double-necked flask was attached to the bottom of the reactor. The reactor inlet line L6 was connected to the other neck of the 100 mL double-necked flask. The bottom of the reflux condenser section condenser bank was connected to the top of the reactor to allow the return of condensable liquids to the reactor. The 100 mL double-necked flask served as a residue reservoir for liquid effluent from the reactor. Under the conditions of the example, no liquid flowed into the residue reservoir until the reaction feed streams to the reactor were completed. Ketene, acetaldehyde and nitrogen were fed to the reactor at the start of Example 10.1 at a pressure of about 1 bar (100 kPa) absolute at the same rate as for Example 1. The catalyst bed temperature rose slowly from 19.6°C to 83.3°C, whereupon steam was released into the reactor cooler jacket. The catalyst bed temperature continued to rise slowly to 110.6°C and then slowly decreased to level off at 98.7°C. During the process of Example 10.1, the catalyst bed slowly became wet. The reaction was terminated after 360 minutes for Example 1, whereupon a portion of the catalyst bed wetting liquid was drained to the reservoir. In Examples 10.2 to 10.5, the reactor was operated in the same manner as in Example 10.1, except that steam heating of the reactor was initiated when the charges were initially introduced into the reactor. Examples 10.2, 10.3, 10.4 and 10.5 were run for periods of 300, 330, 300 and 352 minutes, respectively, using the same catalyst bed. The yields of vinyl acetate isolated from Trap C and the acetic acid scrubbing solutions and the wt. % of acetic acid contained in Trap C (Trap C wt. HOAc) are reported below.
Die aus dem Reservoir nach der Beendigung der Reaktion von Beispiel 10.5 gewonnene Reaktor-Rückstandslösung wurde durch Gaschromatographie analysiert. Die gewonnene Rückstandslösung (8,1 g) enthielt Acetaldehyd (3,46 Gew.-%), Essigsäure (1,17 Gew.-%), Essigsäureanhydrid (2,01 Gew.-%) und EDA (39,9 Gew.-%).The reactor residue solution recovered from the reservoir after completion of the reaction of Example 10.5 was analyzed by gas chromatography. The recovered residue solution (8.1 g) contained acetaldehyde (3.46 wt%), acetic acid (1.17 wt%), acetic anhydride (2.01 wt%) and EDA (39.9 wt%).
Dieses Beispiel erläutert das Verfahren der Erfindung unter Verwendung einer einzigen Kontaktzone für die Herstellung von Vinylacetat aus Keten und Wasserstoff. Es kam dasselbe Reaktorsystem wie in Beispiel 1 verwendet in Beispiel 11 zum Einsatz, jedoch wurde das Zuführsystem modifiziert durch Absperren des Acetaldehyd-Zuführsystems und durch Ersetzen der Stickstoffzufuhr zu dem Keten-Falle/Verdampfer-Abschnitt durch einen Wasserstoffstrom. Der Analysenskrubber wurde mit Methanol an Stelle von Essigsäure befüllt. Der Reaktor wurde mit 5% Pd auf Kohlepulver (2,0151 g), Essigsäureanhydrid (65,8 g, 0,645 Mol), p- Toluolsulfonsäuremonohydrat (5,8 g, 0,0306 Mol) und TBHQ (160 mg, 0,963 mMol) befüllt. Der Reaktor wurde wie in Beispiel 1 bei 140ºC 317 Minuten lang betrieben, wobei die Zuführmasse aber lediglich aus Keten (0,7 mMol/min) und Wasserstoff (88 SCCM) bestand. Das aus der Falle C isolierte Material (4,32 g) enthielt Acetaldehyd (11,2 Gew.-%), Vinylacetat (26,7 Gew.-%), Essigsäure (37,7 Gew.-%) und EDA (2,1 Gew.-%). Das aus dem Methanol-Skrubber isolierte Material (76,6 g) enthielt Methylacetat (0,95 Gew.-%).This example illustrates the process of the invention using a single contact zone for the production of vinyl acetate from ketene and hydrogen. The same reactor system as used in Example 1 was used in Example 11, but the feed system was modified by shutting off the acetaldehyde feed system and replacing the nitrogen feed to the ketene trap/evaporator section with a hydrogen stream. The analytical scrubber was charged with methanol instead of acetic acid. The reactor was charged with 5% Pd on carbon powder (2.0151 g), acetic anhydride (65.8 g, 0.645 mol), p-toluenesulfonic acid monohydrate (5.8 g, 0.0306 mol), and TBHQ (160 mg, 0.963 mmol). The reactor was operated as in Example 1 at 140°C for 317 minutes, but the feed consisted only of ketene (0.7 mmol/min) and hydrogen (88 SCCM). The material isolated from trap C (4.32 g) contained acetaldehyde (11.2 wt%), vinyl acetate (26.7 wt%), acetic acid (37.7 wt%), and EDA (2.1 wt%). The material isolated from the methanol scrubber (76.6 g) contained methyl acetate (0.95 wt%).
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